Новое исследование, проведенное международной командой астрономов с помощью космического телескопа «Джеймс Уэбб» (JWST), совершило прорыв в понимании атмосферной динамики коричневых карликов. Исследование, возглавляемое Шанхайским университетом Цзяо Тонг при участии профессора Станимира Мечева из Университета Западного Онтарио, кардинально меняет прежние представления о формировании гигантских пылевых бурь на этих загадочных объектах. Оказалось, что их природа фундаментально отличается от процессов, формирующих знаменитое Большое красное пятно Юпитера.

Коричневые карлики, часто называемые «неудавшимися звездами», занимают уникальную нишу в космосе. Их масса недостаточна для запуска термоядерного синтеза, но значительно превышает массу планет. Наиболее массивные из них, в 10 и более раз тяжелее Юпитера, получили прозвище «супер-Юпитеры». Именно их сходство с гигантскими экзопланетами и чрезвычайно активная атмосфера делают их идеальными лабораториями для изучения климата вне нашей Солнечной системы.

Фокусом нового исследования стал объект VHS 1256b, коричневый карлик в созвездии Ворона, известный своей экстремальной изменчивостью блеска. Мощные спектрографы «Джеймса Уэбба» (NIRSpec и MIRI) предоставили прямые доказательства наличия и состава силикатной пыли в его атмосфере. Ранее доминировала гипотеза, что атмосферы таких объектов устроены по аналогии с Юпитером, имея устойчивые полосы и долгоживущие вихри. Однако моделирование и данные «Уэбба» показали, что для VHS 1256b это не так.

Был обнаружен принципиально иной механизм, ключом к которому являются крупномасштабные экваториальные волны. Облака силикатной пыли, сконцентрированные у экватора, активно поглощают внутреннее излучение, сильно нагреваясь. Этот локальный перегрев создает мощный температурный дисбаланс, для компенсации которого в атмосфере возникают масштабные волны. Эти волны инициируют гигантские, быстро движущиеся пылевые бури, которые постоянно меняют структуру облачного покрова. Предложенный механизм «обратной связи между излучением и облаками» создает самоподдерживающийся цикл активности: бури поднимают новую горячую пыль, которая усиливает нагрев и поддерживает волновой процесс.

Главная причина отличия от Юпитера — температура. Гораздо более горячая атмосфера VHS 1256b сильно чувствительна к излучению, что приводит к мощным конвективным процессам, которые генерируют волны и препятствуют формированию стабильных полос. В отличие от этого, более медленные процессы в холодной и плотной атмосфере Юпитера успевают организоваться в устойчивые структуры.

Это открытие suggests, что атмосферы многих горячих юпитеров могут циркулировать по сценарию, более близкому к VHS 1256b. Это заставляет пересмотреть существующие климатические модели для этих далеких миров. Дальнейшие наблюдения с помощью «Джеймса Уэбба» помогут определить, насколько распространен открытый волновой механизм, продолжая раскрывать сложное устройство атмосфер вне нашей Солнечной системы.

Коричневые карлики имеют низкую светимость (менее 0,04 солнечных светимостей) и температуру, не превышающую 2800 K, а у самых холодных из них она может быть около 300 K. Радиусы коричневых карликов близки к радиусу Юпитера. В их недрах могут происходить реакции горения дейтерия, лития и водорода, однако эти элементы быстро исчерпываются.

Различить коричневые карлики, звёзды и планеты бывает сложно. Самые массивные коричневые карлики могут иметь светимость, сравнимую с тусклыми звёздами, тогда как легкие коричневые карлики напоминают планеты-гиганты. Для определения типа объекта можно измерить количество лития и ускорение свободного падения, которое у коричневых карликов значительно больше.

Коричневые карлики формируются путём коллапса молекулярных облаков, но не выходят на главную последовательность, как звёзды. В конце своей эволюции они тускнеют и становятся чёрными карликами. Существование коричневых карликов было предсказано в 1963 году, а первый подтверждённый коричневый карлик, Глизе 229 B, был обнаружен в 1995 году.

Коричневые карлики полностью конвективны, и в их атмосферах могут образовываться молекулы и частицы пыли. При температурах ниже 2500 K в атмосферах могут формироваться облака, а также происходить метеорологические явления.

Спектральный класс Коричневых карликов.

Коричневые карлики делятся на четыре спектральных класса: M, L, T и Y, в зависимости от температуры и состава их атмосферы. Класс M включает самые молодые и массивные коричневые карлики, класс L — более холодные, класс T — метановые карлики, а класс Y — самые холодные, с наличием аммиака в спектрах.

Международная команда астрономов сообщает об обнаружении двух новых коричневых карликов, которые вращаются вокруг удаленных звезд, с помощью космической обсерватории NASA по транзитным экзопланетам (TESS). Новые объекты имеют массу примерно в 30 раз больше массы Юпитера. Это открытие было подробно изложено в статье, опубликованной 7 марта на сайте arXiv.

Коричневые карлики представляют собой промежуточные объекты между планетами и звездами, занимая диапазон масс от 13 до 80 масс Юпитера (от 0,012 до 0,076 солнечных масс). Хотя на сегодняшний день было обнаружено много коричневых карликов, объекты, вращающиеся вокруг других звезд, являются редкой находкой.

TESS проводит обследование около 200,000 самых ярких звезд рядом с Солнцем с целью поиска транзитных экзопланет. На данный момент он идентифицировал более 7,500 кандидатов в экзопланеты (TESS Objects of Interest, или TOI), из которых 612 были подтверждены.

Теперь команда астрономов под руководством Элины Я. Чжан из Университета Гавайев идентифицировала сигнал транзита в кривой света двух удаленных звезд, а именно: TOI-4776 (TIC 196286578), расположенной примерно в 1,206 световых годах, и TOI-5422 (TIC 80611440) на расстоянии 1,134 световых года. Дальнейшие наблюдения этих звезд показали, что сигналы транзита вызваны не планетами, а более массивными объектами.

"TOI-4776 b и TOI-5422 b — это два недавно открытых коричневых карлика с низкой массой, обнаруженных TESS, которые проходят между своей звездой по почти круговым орбитам. Мы использовали кривые блеска TESS и наземные наблюдения, наземное наблюдение радиальной скорости и измерения параллакса из Gaia DR3 для характеристики коричневых карликов," объяснили исследователи.

Согласно статье, TOI-4776 b имеет размер Юпитера, но примерно в 32 раза более массивен, чем крупнейшая планета солнечной системы. Коричневый карлик совершает оборот вокруг своей звезды каждые 10.41 дня, на расстоянии примерно 0.1 астрономической единицы от нее. Хозяин — это звезда типа F, немного больше и массивнее Солнца, с эффективной температурой 6,011 K и возрастом около 5.4 миллиарда лет. Температура равновесия коричневого карлика была рассчитана как 1,032 K.

Коричневой карлик TOI-5422 b оказался меньшим и менее массивным, чем TOI-4776 b — его радиус составил 0.81 радиусов Юпитера, а масса была измерена в 27.7 масс Юпитера. TOI-5422 b имеет период обращения 5.37 дней, температуру равновесия 1,355 K и находится на расстоянии около 0.06 астрономической единицы от родительской звезды. Что касается хозяина TOI-5422, это субгигант с радиусом 1.48 радиусов Солнца и массой 1.05 солнечных масс. Звезда имеет возраст около 8.2 миллиарда лет, а ее эффективная температура составляет 5,744 K.

Подводя итоги, авторы статьи подчеркнули, что TOI-5422 b является одним из старейших транзитных коричневых карликов, когда-либо обнаруженных. Они добавили, что этот коричневый карлик, вероятно, ускоряет вращение своей звезды-хозяина, и его орбита выровнена с осью вращения звезды.

Туманность Пламя — это не просто красивая туманность, а настоящая фабрика звёзд! Находясь на расстоянии примерно 1400 световых лет от Земли, она полна энергии и динамики, готовая подарить нам довольно неожиданные открытия. Этот регион, возрастом менее миллиона лет, изобилует коричневыми карликами, так называемыми «неудавшимися звёздами», которые, как ни печально, не смогли достичь статус настоящих светил.

Но давайте немного подробнее разберёмся, почему же коричневые карлики получают такое «жалкое» прозвище. Эти объекты, берущие своё начало газопылевых облаков, не способны достичь критической массы, чтобы начать сжигать водород, и со временем становятся тусклыми и холодными — в отличие от своих более светил, которые ярко сияют! Но когда коричневые карлики ещё молодые, они все еще могут сверкать и даже манить исследователей, как магнит.

Космический телескоп Джеймса Уэбба стал нашим космическим «глазом», способным пробиться через пыль и газ Туманности Пламя, чтобы увидеть эти невидимые для большинства телескопов коричневые карлики. Ученые, возглавляемые Мэттью Де Фурио из Университета Техаса, провели захватывающее исследование, в ходе которого они искали «нижний предел» массы для коричневых карликов. В результате команда обнаружила свободно плавающие объекты с массой примерно в два-три раза превышающей массу Юпитера.

Но почему это так важно? Исследование этого «недостатка» поможет понять, каким образом формируются звёзды и коричневые карлики, а также выявить закономерности звездообразования.

Фрагментация — вот главный процесс, о котором идёт речь. Она определяет, как большие молекулярные облака разделяются на всё более мелкие кусочки. На протяжении этого процесса внутренние силы — гравитация, температура и давление — ведут свою борьбу. Если кусочек этого облака слишком маленький и не может сконденсироваться, он будет продолжать сжиматься и терять своё тепло. В конечном итоге, когда внутреннее давление основывается на достаточной массе, у нас возникает звезда. Если же нет, то мы получаем коричневого карлика.

Теперь, когда у нас есть данные от Уэбба, учёные на самом деле могут увидеть, что нижний предел для свободно плавающих объектов, возможно, находится ниже традиционных представлений — где-то между одной и десятью массами Юпитера. Но само исследование показывает, что объектов массой меньше трёх Юпитеров, похоже, нет! Это открытие действительно шокирует и ставит множество вопросов для дальнейших исследований.

Не стоит забывать и о наследии Хаббла, который в течение десятилетий работал на этом фронте, предоставляя данные и идентифицируя возможные кандидаты для дальнейшего изучения. Теперь благодаря Уэббу, мы стоим на пороге новых открытий!

Ученые обещают продолжить их исследования, применяя спектроскопические инструменты Уэбба, чтобы узнать больше о различных объектах в Туманности Пламя. Будет ли это холодный коричневый карлик или всё-таки планета — мы ждём с нетерпением, чтобы понять, что из этого является чем и почему.