[JWST][W1935]: Webb нашел знаки, указывающие на полярные сияния на изолированном коричневом карлике!

 

На этом художественном изображении представлен коричневый карлик W1935, который находится в 47 световых годах от Земли. 

Астрономы, использующие космический телескоп Джеймса Уэбба NASA, обнаружили инфракрасное излучение метана, исходящее от W1935, что явилось сюрпризом, поскольку коричневый карлик холоден и у него нет звезды-компаньона; следовательно, нет очевидного источника энергии для нагрева его верхней атмосферы и свечения метана. 

Команда предполагает, что излучение метана может быть связано с процессами, создающими полярные сияния, показанные здесь красным цветом.

NASA, ESA, CSA, and L. Hustak (STScI)

NASA, 9 января 2024 года

Инфракрасное излучение метана намекает на нагрев атмосферы за счет полярных сияний.

Астрономы, использующие космический телескоп Джеймса Уэбба, обнаружили коричневый карлик (объект, более массивный, чем Юпитер, но меньше звезды) с инфракрасным излучением метана в его верхней атмосфере. 

Это открытие стало сюрпризом, поскольку коричневый карлик, W1935, холоден и не имеет звезды-компаньона; следовательно, нет очевидного источника энергии для его верхней атмосферы. Команда предполагает, что излучение метана может быть связано с процессами, создающими полярные сияния.

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

Чтобы помочь объяснить загадку инфракрасного излучения метана, команда обратилась к нашей Солнечной Системе. Излучение метана является обычным явлением на газовых гигантах, таких, как Юпитер и Сатурн. Нагрев верхней атмосферы, который обеспечивает это излучение, связан с полярными сияниями.

На Земле полярные сияния создаются, когда энергичные частицы, выброшенные в космос Солнцем, захватываются магнитным полем Земли. Они спускаются в нашу атмосферу вдоль магнитных линий поля около полюсов Земли, сталкиваясь с молекулами газа и создавая зловещие танцующие завесы света. У Юпитера и Сатурна есть аналогичные процессы вследствие взаимодействия магнитосферы с солнечным ветром, что обогащается вкладом от близлежащих активных спутников - таких, как Ио (для Юпитера) и Энцелад (для Сатурна).

Для изолированных коричневых карликов, таких, как W1935, отсутствие звездного ветра, который мог бы способствовать процессу полярных сияний и объяснить дополнительную энергию в верхней атмосфере, необходимую для излучения метана, пока является загадкой. Команда предполагает, что помочь объяснить это излучение могут либо какие-то не учитываемые еще внутренние процессы, подобные атмосферным явлениям Юпитера и Сатурна, либо внешние взаимодействия с межзвездной плазмой или каким-то близким активным спутником.

Детективная История 

Открытие полярных сияний разворачивалось как детективная история. Команда под руководством Джеки Фэрти, астронома из Американского музея естественной истории в Нью-Йорке, получила время на телескопе Уэбба для исследования 12 холодных коричневых карликов. Среди них были W1935 – объект, открытый гражданским ученым Дэном Каселденом, который работал с проектом Backyard Worlds зоониверса – и W2220, объект, открытый с помощью Инфракрасного обзорного телескопа широкого поля NASA. Уэбб показал в мельчайших деталях, что W1935 и W2220 оказались почти клонами друг друга по составу. Они имели схожую яркость, температуру, а также похожие спектральные линии воды, аммиака, угарного газа и углекислого газа. Поразительным исключением стало то, что в отличие от линий поглощения, наблюдаемых у W2220, W1935 показал еще и эмиссионные линии метана - на отдельной длине волны инфракрасного диапазона - области специализации космического телескопа Уэбба.

«Мы ожидали увидеть метан, потому что метан повсеместно присутствует на этих коричневых карликах. Но вместо поглощения света мы увидели совсем противоположное: метан светился. Моя первая мысль была: что за черт возьми? Почему из этого объекта исходит излучение метана?» - сказала Фэрти.

Команда использовала компьютерные модели, чтобы выяснить, что может стоять за этим излучением. Моделирование показало, что у W2220 было ожидаемое распределение энергии по атмосфере: чем выше, тем холоднее. С другой стороны, W1935 показал неожиданный результат. Лучшая модель предполагала инверсию температуры, когда атмосфера становилась теплее с увеличением высоты.

«Эта инверсия температуры действительно загадочна», - сказал Бен Бернингем, соавтор из Университета Хартфордшира в Англии и ведущий специалист по построению моделей. «Мы видели подобное явление на планетах с близкой звездой, которая может нагревать стратосферу, но наблюдать такое в объекте без очевидного внешнего источника тепла - это дико».

Астрономы с помощью Космического Телескопа Джеймса Уэбба изучили 12 холодных коричневых карликов, два из которых - W1935 и W2220 - оказались похожими, как близнецы по своему составу, яркости и температуре. Но в отличие от W2220, W1935 показал эмиссию, а не поглощение метана. Команда считает, что эмиссия метана может происходить во время процессов, создающих полярные сияния.

NASA, ESA, CSA, and L. Hustak (STScI)

Подсказки из нашей Солнечной системы

В поисках подсказок команда обратилась к планетам нашей собственной Солнечной системы. Газовые гиганты могут служить аналогами того, что происходит более чем в 40 световых годах от нас в атмосфере W1935.

Команда поняла, что инверсии температуры являются заметными на планетах - таких как Юпитер и Сатурн. Все еще продолжаются работы по пониманию причин их стратосферного нагрева, но ведущие теории для Солнечной системы включают внешний нагрев за счет полярных сияний и внутренний транспорт энергии из глубин атмосферы (при этом первое является ведущим объяснением).

Кандидаты на Коричневые Карлики с Полярными Сияниями в Контексте

Это не первый случай, когда полярное сияние использовалось для объяснения наблюдений коричневого карлика. Астрономы обнаружили радиоизлучение, исходящее от нескольких более теплых коричневых карликов, и предположили, что наиболее вероятным объяснением являются полярные сияния. Поиски проводились с помощью наземных телескопов, таких как обсерватория Кек, для обнаружения инфракрасных подписей от этих радиоизлучающих коричневых карликов для дальнейшей характеристики явления, но результаты были неоднозначными.

W1935 является первым кандидатом на коричневый карлик с полярными сияниями за пределами солнечной системы с излучением метана. Это также самый холодный кандидат на коричневый карлик с полярными сияниями 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 на Юпитере.

В нашей солнечной системе солнечный ветер является основным фактором, способствующим процессам полярных сияний, при этом активные спутники, такие как Ио и Энцелад, также играют определенную роль для таких планет, как Юпитер и Сатурн, соответственно. У W1935 совсем нет спутника-звезды, поэтому звездный ветер не может способствовать этому явлению. Пока еще предстоит выяснить, может ли активный спутник играть роль в излучении метана на W1935.

«С W1935 у нас теперь есть замечательное расширение явлений солнечной системы без какого-либо звездного излучения, которое помогло бы в объяснении», - отметила Фэрти. «С Уэббом мы действительно можем «открыть капот» химии и разобраться, насколько схож или отличен процесс полярных сияний за пределами нашей солнечной системы», - добавила она.

Космический телескоп Джеймса Уэбба является ведущей космической научной обсерваторией мира. Уэбб раскрывает тайны нашей солнечной системы, заглядывает за ее пределы к далеким мирам вокруг других звезд и исследует загадочные структуры и происхождение нашей вселенной и нашего места в ней. Уэбб является международной программой под руководством NASA при участии партнеров - Европейского космического агентства (ESA) и Канадского космического агентства.