Как выглядят супер-Юпитеры вблизи? Астрономы нашли мир, который меняет яркость на 40% за сутки

Есть планета, где облака состоят не из водяного пара, а из раскаленного песка и капель расплавленного железа. Где вместо привычных нам циклонов бушуют штормы, охватывающие целые полушария, а яркость самого небесного тела меняется на 40% всего за полдня. Это объект VHS 1256b. Новое исследование, опубликованное в журнале Science Advances, наконец объяснило физику этого мира, обновив представления о погоде на коричневых карликах и гигантских экзопланетах.

Загадка мерцающего гиганта

Объект VHS 1256b — сложный объект для астрофизиков. Это не совсем звезда, но и не совсем планета. Он относится к классу субзвездных объектов (коричневых карликов) на границе спектральных классов L и T. С массой менее 20 масс Юпитера, он вращается достаточно далеко от своих родительских звезд, что позволяет телескопам вроде «Джеймса Уэбба» и «Хаббла» изучать его напрямую, не ослепляясь светом звезды.

Главная странность VHS 1256b заключалась в его сильной переменчивости. Наблюдения показали, что поток инфракрасного излучения от него меняется почти на 40% в течение одного оборота вокруг оси (который длится около 22 часов). Для сравнения: изменения яркости Юпитера, вызванные его знаменитым Большим Красным Пятном, составляют лишь считанные проценты. Более того, кривая блеска VHS 1256b вела себя непредсказуемо: она меняла форму от эпохи к эпохе.

Традиционные модели, основанные на полосатой структуре атмосферы Юпитера или Нептуна, здесь не работали. Ученым нужно было что-то принципиально новое.

Кремниевые облака и железный дождь

Группа исследователей под руководством Сянью Тана из Шанхайского университета Цзяотун использовала сложнейшее 3D-моделирование общей циркуляции атмосферы, чтобы воспроизвести условия на VHS 1256b.

Оказалось, атмосфера этого объекта не имеет ничего общего со спокойными полосами Юпитера. Она представляет собой бурлящий поток, где погодой управляют гигантские пылевые бури планетарного масштаба.

Эти штормы состоят из частиц силикатов (по сути, горячего песка или минерала энстатита) и паров железа. Моделирование показало, что именно эти облака ответственны за необычайно «красный» спектр объекта — они блокируют более короткие волны света, пропуская длинноволновое инфракрасное излучение.

Как работает инопланетная погода?

Ключевым открытием работы стал механизм, запускающий эти бури. На Земле погоду во многом определяет нагрев Солнцем: экватор греется сильнее полюсов. На VHS 1256b, удаленном от своих звезд, внешнего нагрева почти нет. Все тепло идет изнутри, от сжатия гравитацией.

Запускает шторм здесь так называемая радиационная обратная связь облаков. Работает это так:

1. В атмосфере образуются густые силикатные облака.
2. Эти облака создают сильный парниковый эффект, запирая тепло внутри.
3. Соседние, безоблачные участки, наоборот, быстро остывают, выпуская излучение в космос.
4. Возникает сильный перепад температур между облачными и ясными зонами.

Этот температурный контраст порождает мощнейшие ветры и атмосферные волны (волны Россби и волны Кельвина), которые начинают гонять облачные массы по всей планете. В отличие от Юпитера, где ветры дуют стабильными полосами восток-запад (зональные джеты), на VHS 1256b формируется хаотичная структура, напоминающая гигантский шеврон или вихрь, занимающий половину планеты.

Эффект Матсуно-Гилла в космосе

Ученые обнаружили, что структура штормов напоминает паттерн Матсуно-Гилла — теоретическую модель реакции атмосферы на нагрев в тропиках. Однако на VHS 1256b этот паттерн нестабилен.

Поскольку облака сами являются источником нагрева (через парниковый эффект), а ветры эти облака перемещают, система входит в режим постоянной самогенерации и разрушения. Гигантский шторм живет десятки дней, медленно эволюционируя, распадаясь и собираясь вновь.

Именно это объясняет странное поведение яркости планеты.

• Вращение: планета вращается, и мы видим то темную штормовую сторону (облака блокируют свет), то яркую и горячую безоблачную дыру.
• Эволюция шторма: сам шторм меняет форму в течение недель. Поэтому, если посмотреть на планету через пару месяцев, кривая блеска будет уже совершенно другой.

Для чего это знать?

Это исследование выходит далеко за рамки изучения одного конкретного объекта. Оно предлагает решение давней загадки астрофизики — так называемого L/T-перехода.

Коричневые карлики делятся на типы: L-карлики (горячие и облачные) и T-карлики (более холодные и чистые, где облака оседают глубоко вниз). Астрономы давно спорили, как происходит этот переход. Модель Тана показывает, что процесс не плавный. Радиационная неустойчивость создает разрывы в облачном покрове. VHS 1256b как раз находится в этой переходной фазе, демонстрируя нам, как атмосфера из сплошного облачного одеяла превращается в лоскутное из штормов и ясного неба.

Кроме того, работа подтверждает важный тренд: чем быстрее вращается коричневый карлик, тем более полосатой (как Юпитер) становится его атмосфера. Но VHS 1256b вращается относительно медленно (22 часа), что позволяет развиваться именно таким массивным, хаотичным вихрям, вместо стабильных полос.

Благодаря данным телескопа «Джеймс Уэбб» и новому поколению компьютерных моделей мы переходим от простого обнаружения экзопланет к полноценной метеорологии. Теперь мы знаем, что на далеких мирах могут существовать погодные режимы, не имеющие аналогов в Солнечной системе.

Источник:Science