Уэбб НАСА обнаружил признаки возможных полярных сияний на изолированном коричневом карлике

 Инфракрасное излучение метана предполагает нагрев атмосферы за счет полярных сияний.

Астрономы, использующие космический телескоп Джеймса Уэбба НАСА, обнаружили коричневого карлика (объект более массивный, чем Юпитер, но меньший, чем звезда) с инфракрасным излучением метана, вероятно, из-за энергии в его верхних слоях атмосферы. Это неожиданное открытие, поскольку коричневый карлик W1935 холоден и у него нет родительской звезды; следовательно, нет очевидного источника энергии верхних слоев атмосферы. Команда предполагает, что выбросы метана могут быть вызваны процессами, порождающими полярные сияния.

Эти результаты будут представлены на 243-м собрании Американского астрономического общества в Новом Орлеане.

Чтобы помочь объяснить тайну инфракрасного излучения метана, команда обратилась к нашей Солнечной системе. Выбросы метана — общая черта газовых гигантов, таких как Юпитер и Сатурн. Нагрев верхних слоев атмосферы, который приводит в действие это излучение, связан с полярными сияниями.

Изображение: Концепт художника «Коричневый карлик W1935»

Эта концепция художника изображает коричневого карлика W1935, который расположен в 47 световых годах от Земли. Астрономы с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба НАСА обнаружили инфракрасное излучение метана, исходившее из W1935. Это неожиданное открытие, поскольку коричневый карлик холоден и у него нет родительской звезды; следовательно, не существует очевидного источника энергии, который мог бы нагреть верхние слои атмосферы и заставить светиться метан. Команда предполагает, что выбросы метана могут быть вызваны процессами, порождающими полярные сияния, показанные здесь красным. (Фото: nasa.gov)

На Земле полярные сияния возникают, когда энергичные частицы, уносимые в космос от Солнца, захватываются магнитным полем Земли. Они каскадом спускаются в нашу атмосферу вдоль линий магнитного поля вблизи полюсов Земли, сталкиваясь с молекулами газа и создавая жуткие танцующие завесы света. Юпитер и Сатурн имеют схожие полярные сияния, которые включают взаимодействие с солнечным ветром, но они также получают полярные сияния от близлежащих активных спутников, таких как Ио (для Юпитера) и Энцелад (для Сатурна).

Для изолированных коричневых карликов, таких как W1935, отсутствие звездного ветра, который способствовал бы полярному сиянию и объяснял дополнительную энергию в верхних слоях атмосферы, необходимую для выброса метана, остается загадкой. Команда предполагает, что либо неучтенные внутренние процессы, такие как атмосферные явления Юпитера и Сатурна, либо внешние взаимодействия либо с межзвездной плазмой, либо с ближайшей активной луной, могут помочь объяснить выбросы.

Детективная история

Открытие полярного сияния разыгралось как детектив. Команда под руководством Джеки Фаэрти, астронома из Американского музея естественной истории в Нью-Йорке, получила время с телескопом Уэбба для исследования 12 холодных коричневых карликов. Среди них были W1935 — объект, который был обнаружен гражданским ученым Дэном Кэселденом, который работал с проектом зоовселенной Backyard Worlds, — и W2220, объект, который был обнаружен с помощью Wide Field Infrared Survey Explorer НАСА. Уэбб в мельчайших деталях раскрыл, что W1935 и W2220 по составу кажутся близкими клонами друг друга. Они также имели схожую яркость, температуру и спектральные характеристики воды, аммиака, угарного газа и углекислого газа. Ярким исключением было то, что W1935 демонстрировал выделение метана, в отличие от ожидаемой особенности поглощения, которая наблюдалась у W2220. Это было замечено на определенной инфракрасной длине волны, к которой Уэбб уникально чувствителен.

«Мы ожидали увидеть метан, потому что метан присутствует повсюду в этих коричневых карликах. Но вместо поглощения света мы увидели прямо противоположное: метан светился. Моя первая мысль была: какого черта? Почему из этого объекта исходит выброс метана?» — сказал Фаэрти.

Команда использовала компьютерные модели, чтобы сделать вывод о том, что может быть причиной выброса. Работа по моделированию показала, что W2220 имел ожидаемое распределение энергии по всей атмосфере, становясь все холоднее с увеличением высоты. С другой стороны, W1935 дал неожиданный результат. Лучшая модель предпочитала температурную инверсию, при которой атмосфера становилась теплее с увеличением высоты. «Эта температурная инверсия действительно озадачивает», — сказал Бен Бернингем, соавтор из Университета Хартфордшира в Англии и ведущий разработчик модели. «Мы видели такое явление на планетах с близлежащей звездой, которая может нагревать стратосферу, но видеть это в объекте без очевидного внешнего источника тепла — это дикость».

Изображение: Spectra W1935 против W2220

Астрономы использовали космический телескоп имени Джеймса Уэбба НАСА для изучения 12 холодных коричневых карликов. Два из них – W1935 и W2220 – оказались близкими близнецами друг друга по составу, яркости и температуре. Однако W1935 продемонстрировал выделение метана, в отличие от ожидаемой особенности поглощения, которая наблюдалась у W2220. Команда предполагает, что выбросы метана могут быть вызваны процессами, порождающими полярные сияния. (Фото: nasa.gov)

Подсказки из нашей Солнечной системы

В поисках подсказок команда осмотрела наш собственный двор, планеты нашей Солнечной системы. Планеты-газовые гиганты могут служить аналогом того, что происходит на расстоянии более 40 световых лет от Земли в атмосфере W1935.

Команда поняла, что температурные инверсии заметны на таких планетах, как Юпитер и Сатурн. Работа над пониманием причин нагрева стратосферы все еще продолжается, но ведущие теории Солнечной системы предполагают внешнее нагревание полярными сияниями и внутренний перенос энергии из более глубоких слоев атмосферы (первое объяснение является основным).

Кандидаты в коричневые карлики Авроры в контексте

Это не первый раз, когда полярное сияние используется для объяснения наблюдения коричневого карлика. Астрономы обнаружили радиоизлучение, исходящее от нескольких более теплых коричневых карликов, и назвали полярные сияния наиболее вероятным объяснением. С помощью наземных телескопов, таких как обсерватория Кека, проводились поиски инфракрасных сигнатур этих радиоизлучающих коричневых карликов, чтобы дополнительно охарактеризовать это явление, но они оказались безрезультатными.

W1935 — первый кандидат в полярные сияния за пределами Солнечной системы, имеющий признаки выброса метана. Это также самый холодный кандидат на полярное сияние за пределами нашей Солнечной системы, с эффективной температурой около 400 градусов по Фаренгейту (200 градусов по Цельсию), что примерно на 600 градусов по Фаренгейту теплее, чем у Юпитера.

В нашей Солнечной системе солнечный ветер является основным источником полярных сияний, а активные спутники, такие как Ио и Энцелад, играют роль для таких планет, как Юпитер и Сатурн, соответственно. У W1935 полностью отсутствует звезда-компаньон, поэтому звездный ветер не может способствовать этому явлению. Еще предстоит выяснить, может ли активная луна сыграть роль в выбросе метана в W1935.

«Благодаря W1935 мы теперь имеем впечатляющее расширение явления Солнечной системы без какого-либо звездного излучения, которое могло бы помочь в объяснении». - отметил Фаэрти. «Благодаря Уэббу мы действительно можем «открыть капот» на химию и понять, насколько похожими или разными могут быть полярные сияния за пределами нашей Солнечной системы», — добавила она.

Космический телескоп Джеймса Уэбба — ведущая в мире обсерватория космической науки. Уэбб разгадывает тайны нашей Солнечной системы, заглядывает в далекие миры вокруг других звезд и исследует загадочные структуры и происхождение нашей Вселенной и наше место в ней. Уэбб — это международная программа, возглавляемая НАСА совместно со своими партнерами, ЕКА (Европейское космическое агентство) и Канадским космическим агентством.

Источник