Тусклые астрономические объекты, называемые коричневыми карликами, менее массивны, чем наше Солнце, но при этом более массивны нашего газового гиганта Юпитера. Они обладают атмосферой с мощными ветрами и массивными облаками пятнистой формы и состоящими в основном из капель расплавленного железа и силикатной пыли. Недавно было установлено, что эти гигантские облака могут очень быстро (менее чем за один земной день) скапливаться и так же быстро рассеиваться. Но при этом исследователи не понимают, почему это происходит.

В рамках же нового анализа данных, собранных с помощью космического телескопа «Спитцер», международная группа ученых смогла создать модель, объясняющую, как именно облака коричневых карликов двигаются и изменяют свою форму. Создаваемые этими объектами гигантские волны запускают очень масштабное движение частиц в атмосфере коричневых карликов, изменяя толщину силикатных облаков. Об этом ученые сообщили на страницах журнала Science. В отчете также предполагается, что эти облака скапливаются вместе на разных высотах, двигаясь с разной скоростью и направлением.

«Мы впервые наблюдали атмосферные потоки и волны у коричневых карликов», — отметил автор исследования Даниеэль Апаи, доцент кафедры астрономии и планетологии Аризонского университета.

Волны могут формироваться не только на воде, как, например, в наших морях и океанах, но и в атмосфере планет. Если брать нашу планету, то очень длинные волны смешивают холодный воздух полярных регионов с воздушными массами средних широт, что чаще всего приводит либо к появлению, либо рассеиванию облаков.

Распределение и движение облаков у коричневых карликов, ставших объектами данного исследования, оказались наиболее похожими на те, что ученые наблюдали на Юпитере, Сатурне и Нептуне. Последний тоже обладает несколькими воздушными потоками, которые двигаются в противоположном направлении, но состоят они в основном изо льда. Наблюдение за Нептуном с помощью космического телескопа «Кеплер» стало ключевым в этом сравнении между планетами и коричневыми карликами.

«Атмосферные ветра коричневых карликов очень похожи на юпитерианские пояса и зоны, нежели на хаотические атмосферные формирования, наблюдаемые на Солнце и многих других звездах», — добавляет соавтор исследования Марк Марли из Исследовательского центра Эймса NASA.

Коричневые карлики можно рассматривать как неудавшиеся звезды, так как их масса слишком мала, чтобы поддерживать химические реакции элементов в их ядрах. Но их также можно рассматривать и как «суперпланеты», так как они массивнее Юпитера, но при этом обладают приблизительно тем же диаметром. Как и газовые гиганты, коричневые карлики в основном состоят из водорода и гелия, однако они довольно часто встречаются за пределами какой-либо планетарной системы. А в 2014 году, в рамках исследования, проводившегося с применением космического телескопа «Спитцер», ученые выяснили, что на коричневых карликах довольно часто бушуют атмосферные шторма.

Благодаря своей похожести с гигантскими экзопланетами коричневые карлики могут являться окном в другие планетарные системы. При этом эти объекты гораздо проще изучать, потому что они, как правило, не имеют рядом с собой настоящих ярких звезд, затрудняющих наблюдение за ними, как это часто бывает с экзопланетами.

«Вполне возможно, что те атмосферные потоки и волны, которые мы обнаружили у коричневых карликов, будут таким же частым явлением для более обычных гигантских экзопланет», — добавляет Апаи.

Используя «Спитцер», ученые проводили наблюдение за изменением светимости шести коричневых карликов в течение почти полутора лет, став свидетелем 32 оборотов вокруг своей оси каждого из них. По мере вращения коричневого карлика его облака то появляются, то исчезают в том полушарии, за которым ведется наблюдение в телескоп, что изменяет его яркость. Благодаря этому ученые смогли проанализировать эти световые изменения, чтобы выяснить, каким образом происходит распределение силикатных облаков в атмосфере таких объектов.

Ранее ученые предполагали, что у коричневых карликов будут иметься эллиптические шторма, похожие на Большое красное пятно Юпитера, вызываемое и поддерживаемое зонами высокого давления. Пятно находится на Юпитере вот уже сотню лет и за это время мало изменилось. Но подобные «пятна» не могут объяснить такие быстрые изменения в яркости, которые наблюдали ученые при изучение коричневых карликов. Отмечаемые изменения происходили менее чем за одни земные сутки.

Чтобы докопаться до истины, ученым пришлось пересмотреть свое предположение. И лучшей моделью, которая объясняла бы подобное поведение и резкие изменения в светимости, оказалась та, что описывает огромные атмосферные волны, проявляющиеся с разным интервалом. Эти волны заставляют атмосферные потоки вращаться в противоположные стороны. Суперкомпьютер и новый компьютерный алгоритм помогли исследователю Аризонского университета Теодоре Каралиди создать карту движения облаков у коричневых карликов.

«Когда пики двух волн смещены, в течение дня наблюдается две точки максимальной яркости. Когда волны синхронизируются, получается один пик яркости (одна волна), который делает коричневые карлики в два раза ярче», — объясняет Каралиди.

Эти результаты полностью объясняют странное изменение в яркости, которое наблюдали ученые до этого при изучении коричневых карликов. Следующим шагом будет попытка лучше понять, что именно создает волны, которые запускают движение атмосферных масс этих объектов.