Aurora na SIMP 0136: První přímé měření atmosféry exoplanetárního objektu
Astronomové objevili aurory na objektu velikosti planety nazvaném SIMP 0136, který se aktuálně pohybuje v naší galaxii, Mléčné dráze, bez blízké hvězdy. Aurora na tomto objektu zřejmě ohřívá jeho vrchní atmosféru, čímž vytváří stabilní pokrývku písečných podobných mraků.
Vědci sledovali počasí na SIMP 0136 pomocí vesmírného teleskopu James Webb, který sleduje objekt rotující rychle kolem své osy a za 2,4 hodiny dokončí jeden pozemský den. Tým měřil drobné změny jasnosti během rotace objektu a přetvářel tyto signály na mapy teploty, mraků a chemie.
Byly zachyceny známky ohřáté vrchní vrstvy a změn počasí spojených s chemií, přičemž mraky zůstávaly podivně uniformní. Hlavní autor, Dr. Evert Nasedkin z Trinity College Dublin, a jeho kolegové se zaměřili na SIMP 0136, blízký hnědý trpaslík, který podobá obrovské planetě, ale neobíhá kolem žádné hvězdy.
Je mladý a rychle se otáčí, což činí jeho atmosféru výjimečným testem pro fyziku počasí mimo naši sluneční soustavu. Vzdalující se objekty, jako je tento, vyzařují zbytkové teplo místo světla odraženého od hvězdy. Tento jasný lesk z nich dělá ideální cíle pro spektroskopii, metodu, která umožňuje rozdělit světlo na barvy a číst teplotu a plyny.
Webbův blízký infračervený spektrograf NIRSpec zaznamenal jednu kompletní rotaci v režimu Bright Object Time Series (BOTS), který je určen pro stabilní, časově označené spektra jasných cílů. Tento přístup zachycuje jemné záblesky způsobené vlastnostmi otáčejícími se do a z pohledu.
Webbův středně infračervený přístroj MIRI doplnil nízkourozlišovací časové řady od 5 do 14 mikronů, což je oblast bohatá na znaky metanu a amoniaku, které zkoumají různé výšky. Kombinace obou přístrojů umožnila týmu sledovat změny od hluboké atmosféry až do tenkého vzduchu nad ní.
SIMP 0136 vykazuje teplotní inverzi ve své stratosféře, přičemž teploty stoupají výše místo toho, aby klesaly. Inverze dosahuje několika tisícin bar nad hlavními mraky a je asi o 250 Kelvinů silnější než by to bylo, kdyby vzduch zůstal rovný s výškou, což je charakteristika, kterou spektra vyžadují.
„Toto jsou některá z nejpřesnějších měření atmosféry jakéhokoli extrasolárního objektu dosud a poprvé, kdy byly přímo měřeny změny v atmosférických vlastnostech,“ říká Dr. Nasedkin.
Po jedné kompletní otočce se průměrné teplotní změny hemisféry pohybují zhruba o 5 Kelvinů, zatímco objekt zůstává velmi horký, s teplotou přes 1 500 stupňů Celsia. Metan a další plyny zkoumá různé vrstvy atmosféry, přičemž jejich absorpční vlastnosti označují změny tlaku. Vlnové délky světla přímo odpovídají odlišným atmosférickým vlastnostem.
Aurory jsou přirozeným podezřelým pro to ohřívání horní atmosféry, protože energetické částice proudící podél magnetických linií vyzařují energii, když se setkávají s plynem. Na Jupiteru bylo globální ohřívání horní atmosféry spojeno s polární aurorou, která přemísťuje energii po celé planetě.
Na samotném SIMP 0136 byly pomocí citlivých rádiových a spektroskopických měření nalezeny důkazy o silných magneticky řízených proudech, které mohou produkovat aurory a teplo. Nové výsledky z Webbu zapadají do tohoto obrazu: inverze leží tam, kde jsou metanové linie nejcitlivější na teploty horní atmosféry, a její síla se mění s rotací.
Na těchto žhavých teplotách mraky na SIMP 0136 nejsou na bázi vody. Jedná se o silikátové částice, chemicky podobné písku, které kondenzují hluboko uvnitř. Spektra vyžadují nepravidelný silikátový mrakový kryt blízko základny fotosféry, ale pokrytí zůstává v podstatě konstantní při otáčení planety.
Tento stabilní jev se obrací proti staré představě, že blikající jasnost blízko přechodu L/T je většinou výsledkem mraků driftujících kolem. Zde se teplotní struktura postará o většinu pohybu, zatímco mapa mraků se prakticky nepohne.
Další dominantní molekuly, včetně oxidu uhličitého a sirovodíku, se mírně mění s fází a jdou protižárově s teplotními změnami, což naznačuje malé bouře, které ovlivňují chemii, jak se pohybují. Jiné molekuly jako voda, metan a oxid uhelnatý vypadají jednotně napříč diskem při této přesnosti.
Tyto chemické stopy jsou důležité, protože určují elementární poměry, které zachycují způsob, jakým se objekt formoval. Získaný poměr uhlíku k kyslíku je blízko slunečnímu a celkový obsah kovů je pouze mírně obohacen.
Nezávislá analýza Webbu z počátku tohoto roku spojila variabilitu SIMP 0136 s více tlakových úrovněmi a mechanismy, což ukazuje, že změny jasnosti nepocházejí z jedné vrstvy. Nové časově rozlišené analýzy zpřesňují tento pohled tím, že spojují specifické spektrální vlastnosti se změnami teploty a chemie v hloubce.
Jednoduše řečeno, více dialů se otáčí současně: hluboké teplotní vlnění nastavuje celkovou jasnost objektu, zatímco vyšší vrstvy ohřáté aurorou vtiskují vzory do metanových pásů. Počasí je fyzika v pohybu. Na světech jako SIMP 0136 se odehrává s exotickými materiály, rychlými rotacemi a silnými magnetickými poli, přesto platí stejné základní pravidla: teplo se pohybuje, plyny se míchají, světlo kóduje příběh.
Časově rozlišené spektra jsou klíčem k čtení tohoto příběhu. Webb nyní může sledovat svět, jak se mění během minut, a sledovat příčiny, účinky a nadmořskou výšku s dostatečnou přesností, aby oddělil teplotu od mraků a chemie. Větší teleskopy na zemi budou mapovat podobné objekty s jemnějšími detaily a testovat iontově řízený lesk, který prokazuje aurory.
Budoucí vesmírné mise zaměřené na obyvatelné planety si tyto postupy vypůjčí, aby zkoumaly větry, mraky a tepelné proudy na menších, chladnějších cílech. SIMP 0136 ukazuje, že i bez hvězdy může svět běžet živý systém počasí poháněný svým vlastním teplem a magnetizmem. Horní vzduch se osvětluje, hluboký vzduch dýchá a mraky zůstávají stabilní, zatímco se objekt velikosti planety otáčí.
Tato studie byla publikována v časopise Astronomy & Astrophysics.
