Астрономи зондують багатошарову атмосферу коричневого карлика

Коричневі карлики -- космічний еквівалент підлітків. Вони занадто масивні, щоб бути планетами, і занадто малі, щоб підтримувати у своїх ядрах ядерний синтез, який живить зірки. Багато коричневих карликів є кочовиками. Вони не обертаються навколо зірок, а дрейфують серед них як самотники.

Про це розповідається на сайті НАСА космічного телескопа Хаббл.

Астрономи хотіли б знати, як зліпилися ці заблудлі об′єкти. Чи поділяють вони якусь спорідненість із роздутими газовими планетами-гігантами, такими як Юпітер? Вивчення коричневих карликів набагато складніше, ніж вивчення сусіднього Юпітера для їх порівняння. Ми можемо відправити космічний корабель на Юпітер. Але, щоб заглянути в атмосферу коричневого карлика, астрономам потрібно подивитись крізь багато світлових років.

Дослідники використовували гігантську обсерваторію В. М. Кека на Гаваях для спостереження за недалеким коричневим карликом в інфрачервоному світлі. На відміну від Юпітера, молодий коричневий карлик досі такий гарячий, що світиться зсередини назовні, і схожий на різьблений гарбуз до Гелловіну. Оскільки коричневий карлик має розсіяні хмари, то світло, яке сяє з глибини атмосфери карлика, змінюється, що й було виміряно дослідниками. Вони виявили, що атмосфера карлика має багатошарову структуру з хмарами різного складу на різній висоті.

Юпітер може вважатися планетою-громилою нашої Сонячної системи, оскільки це наймасивніша планета. Але насправді він коротун у порівнянні з багатьма гігантськими планетами, знайденими навколо інших зірок.

Ці чужі світи, звані суперюпітерами, важать до 13 разів більше маси Юпітера. Астрономи проаналізували склад деяких з цих монстрів. Але детально вивчити їх атмосферу було важко, оскільки ці газові гіганти губляться у блиску батьківських зірок.

Однак у дослідників є заміна: атмосфери коричневих карликів – так званих невдалих зірок, маса яких до 80 разів перевищує масу Юпітера. Ці здоровенні об′єкти утворюються при колапсі газової хмари, як і зірки, але їм не вистачає маси, щоб стати досить гарячими для підтримки у своїх ядрах ядерного синтезу, який живить зірки.

Натомість коричневі карлики поділяють спорідненість із суперюпітерами. Обидва типи об’єктів мають однакову температуру і надзвичайно масивні. У них також складна, різноманітна атмосфера. Єдина відмінність, як вважають астрономи, – їхній родовід. Суперюпітери утворюються навколо зірок; коричневі карлики часто утворюються ізольовано.

Команда астрономів на чолі з Оленою Манджавакас з Наукового інституту космічного телескопа в Балтиморі, штат Меріленд, випробувала новий спосіб проникнення крізь хмарні шари цих кочових об′єктів. Дослідники використовували прилад в обсерваторії В. М. Кека на Гаваях, щоб вивчити в ближньому інфрачервоному світлі кольори та зміни яскравості багатошарової структури хмар у недалекому, вільно самопливному коричневому карлику, відомому як "2MASS J22081363+2921215".

Прилад обсерваторії Кека, який називається Багатооб′єктним спектрографом для інфрачервоних досліджень (MOSFIRE), також проаналізував спектральні відбитки різних хімічних елементів, що містяться в хмарах, і те, як вони змінюються з часом. Астрономи вперше використали прилад MOSFIRE у дослідженнях такого роду.

Ці вимірювання дозволили Манджавакас отримати цілісне уявлення про атмосферні хмари коричневого карлика, надавши більше деталей, ніж попередні спостереження за цим об′єктом. Вперше застосований у спостереженнях Хаббла, цей метод важко застосувати наземним телескопам через забруднення атмосфери Землі, яке поглинає певні довжини інфрачервоних хвиль. Рівень цього поглинання змінюється в залежності від погоди.

"Єдиний спосіб зробити це з землі – це використовувати прилад MOSFIRE з високою роздільною здатністю, оскільки він дозволяє нам спостерігати кілька зірок одночасно з нашим коричневим карликом", - пояснює Манджавакас. "Це дозволяє нам корегувати рівень забруднення, спричиненого атмосферою Землі, і з хорошою точністю виміряти істинний сигнал від коричневого карлика. Отже, ці спостереження є підтвердженням концепції того, що MOSFIRE може проводити подібні дослідження атмосфер коричневих карликів".

Манджавакас представила свої результати 9 червня на пресконференції віртуального засідання Американського астрономічного товариства.

Дослідниця вирішила вивчити саме цього коричневого карлика, оскільки він дуже молодий, а тому надзвичайно яскравий та ще не охолодився. Його маса й температура схожі на показники недалекої гігантської екзопланети Beta Pictoris b (Бета Живописця b), виявленої у 2008 році на зображеннях у ближньо-інфрачервоному діапазоні, зроблених Дуже великим телескопом Європейської південної обсерваторії на півночі Чилі.

"Ми ще не маємо можливості за допомогою сучасних технологій детально проаналізувати атмосферу Beta Pictoris b", - каже Манджавакас. "Тому ми використовуємо наше дослідження атмосфери цього коричневого карлика у якості проміжного, щоб отримати уявлення про те, як можуть виглядати хмари екзопланет на різних висотах їх атмосфер".

І коричневий карлик, і Beta Pictoris b – молоді, тому вони сильно випромінюють тепло в ближньому інфрачервоному діапазоні. Обидва є членами зграї зірок та підзоряних об′єктів, що називається рухомою групою Beta Pictoris, яка має однакове походження та спільний рух у космосі. Група, якій близько 33 мільйонів років, є найближчою до Землі групою молодих зірок. Вона знаходиться приблизно за 115 світлових років від нас.

Хоча вони прохолодніші за справжні зірки, коричневі карлики все ще надзвичайно гарячі. Коричневий карлик у дослідженні Манджавакас розпечений до 1527 градусів Цельсія.

Гігантський об′єкт приблизно у 12 разів важчий за Юпітер. Як молоде тіло він крутиться неймовірно швидко, виконуючи обертання кожні 3,5 години, проти 10-годинного періоду обертання Юпітера. Тому, він збиває хмари, створюючи динамічну, бурхливу атмосферу.

Прилад MOSFIRE обсерваторії Кека 2,5 години дивився на коричневого карлика, спостерігаючи, як світло, що проникає крізь атмосферу із гарячої внутрішньої частини карлика, з часом яскравіє і тьмяніє. Яскраві плями, що з’являються на обертовому об’єкті, вказують на регіони, де дослідники можуть вдивитися глибше в атмосферу - там, де спекотніше. Заглядати глибше в атмосферу астрономам дозволяють інфрачервоні довжини хвиль. Спостереження свідчать, що коричневий карлик має плямисту атмосферу з розсіяними хмарами. Якщо розглянути його крупним планом, він може нагадувати різьблений на Гелловін гарбуз зі світлом, що виходить із його гарячої внутрішньої частини.

Його спектр розкриває хмари з гарячих піщинок та інших екзотичних елементів. Йодид калію простежується у верхніх шарах атмосфери об′єкта, в яких також є хмари силікату магнію. Нижче в атмосфері рухається шар хмар з йодистого натрію та силікату магнію. Останній шар складається з хмар оксиду алюмінію. Загальна глибина атмосфери становить 718 кілометрів. Виявлені елементи являють собою типову частину складу атмосфер коричневих карликів, сказала Манджавакас.

NASA, ESA, STScI, Andi James (STScI)

Дослідниця та її команда використовували комп’ютерні моделі атмосфер коричневих карликів для визначення розташування хімічних сполук у кожному хмарному шарі.

План Манджавакас полягає у використанні MOSFIRE обсерваторії Кека для вивчення атмосфер інших коричневих карликів та порівняння їх із атмосферами газових гігантів. Майбутні телескопи, такі як космічний телескоп Джеймса Вебба від НАСА – інфрачервона обсерваторія, яку планується запустити пізніше цього року, – нададуть ще більше інформації про атмосферу коричневого карлика. "JWST надасть нам структуру всієї атмосфери, забезпечуючи більше покриття, ніж будь-який інший телескоп", - сказала Манджавакас.

Дослідниця сподівається, що MOSFIRE можна використовувати в тандемі з JWST для отримання широкої вибірки коричневих карликів. Мета – краще розуміння коричневих карликів та планет-гігантів.

! Читайте ще цікаві новини про космос на сайті, або слідкуйте за ними на Facebook.