Астрономы сделали небольшой, но важный шаг к тому, чтобы однажды научиться прогнозировать погоду на планетах за пределами Солнечной системы. Используя данные космического телескопа James Webb, исследователи выяснили, какие факторы определяют изменения атмосферы коричневого карлика SIMP 0136, расположенного примерно в 20 световых годах от Земли.

Ученые обнаружили, что большую часть наблюдаемых изменений можно объяснить двумя параметрами — различиями температур и изменениями вертикальной структуры облаков. Более того, эти факторы сохранялись на протяжении нескольких оборотов объекта, даже несмотря на то, что конкретный вид его атмосферы менялся.

Коричневый карлик как лаборатория для изучения погоды

SIMP 0136 формально не является экзопланетой. Это коричневый карлик — объект промежуточного типа между планетами и звездами. Его массы недостаточно для устойчивой термоядерной реакции превращения водорода в гелий, которая питает обычные звезды.

При этом по своим атмосферным свойствам коричневые карлики могут напоминать гигантские экзопланеты. Есть и важное преимущество: такие объекты можно непосредственно наблюдать, не дожидаясь редких транзитов перед своей звездой. Поэтому они становятся удобными естественными лабораториями для изучения сложных атмосферных процессов.

SIMP 0136 особенно интересен тем, что при вращении его яркость немного меняется. Это означает, что разные участки атмосферы по очереди оказываются обращены к Земле, позволяя наблюдать их особенности.

Ученые нашли три повторяющихся состояния атмосферы

Исследователи применили к наблюдениям метод главных компонент — математический способ выделить основные закономерности в сложном наборе данных и отделить их от менее значимых вариаций.

Анализ показал, что изменения яркости SIMP 0136 во многом можно описать тремя повторяющимися состояниями погоды.

В некоторых областях атмосфера была горячее, а облачный слой — более тонким. В более холодных регионах облака, напротив, становились плотнее и простирались выше в атмосфере.

Это важный результат для будущего изучения погоды на далеких мирах: вместо того чтобы рассматривать каждое изменение яркости как отдельное явление, ученые могут выделять несколько основных процессов, которые формируют наблюдаемую картину.

Погода меняется, но физические правила остаются

Однако обнаружить повторяющиеся состояния недостаточно для прогнозирования. Чтобы делать прогнозы, необходимо убедиться, что атмосфера действительно ведет себя по одним и тем же правилам с течением времени.

Именно это исследователи обнаружили у SIMP 0136. Основные факторы, определяющие погодные изменения, сохранялись более чем на протяжении десятка оборотов объекта, хотя конкретная структура его атмосферы за это время успевала измениться.

«Мы также обнаружили, что эти факторы погодных изменений на SIMP 0136 сохраняются с течением времени, даже когда детальный вид атмосферы меняется на протяжении более чем дюжины оборотов», — рассказала ведущий автор исследования Мерле Шрадер, докторант Тринити-колледжа в Дублине.

Получается своего рода знакомая метеорологам ситуация: конкретная погода постоянно меняется, но основные механизмы, которые ее формируют, остаются стабильными.

До настоящего прогноза еще далеко

Новая методика пока не позволяет сказать, какая температура или состояние облаков будет на SIMP 0136 завтра. Однако она может существенно ускорить первый этап исследования чужой атмосферы.

Вместо того чтобы сразу запускать сложные и ресурсоемкие компьютерные модели, ученые смогут сначала определить основные факторы, отвечающие за наблюдаемую изменчивость атмосферы. Затем эти данные можно использовать для более подробного моделирования.

«Применение этой техники к широкому диапазону коричневых карликов и гигантских экзопланет поможет нам лучше понять разнообразные погодные системы, формирующие миры далеко за пределами нашей Солнечной системы», — отметила соавтор работы Йоханна Вос из Тринити-колледжа в Дублине.

Исследование опубликовано 16 сентября в журнале Astronomy & Astrophysics. До настоящих «прогнозов погоды» для экзопланет еще далеко, но астрономы постепенно учатся отделять случайные изменения в их атмосферах от устойчивых закономерностей — первого необходимого шага для будущей космической метеорологии.