Телескоп NASA SPHEREx виявив воду й метан у коричневих карликах, але моделі не пояснюють їхні хмари

Космічний телескоп NASA SPHEREx допоміг астрономам детальніше дослідити атмосфери коричневих карликів — загадкових об’єктів, які за своїми властивостями займають проміжне місце між планетами та зорями. Дослідники виявили спектральні ознаки води, метану, чадного газу та вуглекислого газу, але зіткнулися з проблемою: навіть сучасні комп’ютерні моделі не можуть повністю пояснити отримані спостереження, особливо коли хмари в атмосфері цих об’єктів починають розсіюватися.

Результати дослідження, опублікованого в журналі The Astrophysical Journal, показують, що астрономічні вимірювання вже дозволяють бачити тонкі відмінності між коричневими карликами, тоді як теоретичні моделі поки не здатні повністю їх відтворити.

Що таке коричневі карлики

Коричневі карлики формуються з хмар газу, подібно до звичайних зір. Проте їхньої маси недостатньо, щоб підтримувати стабільний термоядерний синтез водню в ядрі. Через це вони не стають повноцінними зорями.

Водночас коричневі карлики відрізняються від більшості планет тим, що можуть самостійно рухатися міжзоряним простором, не обертаючись навколо зорі. Їхнє тепло походить переважно з внутрішніх запасів енергії, а з часом вони поступово охолоджуються.

«Вони ніби готичні», — пожартував керівник дослідження Зафар Рустамкулов із наукового центру IPAC при Каліфорнійському технологічному інституті. За його словами, вільно плаваючі коричневі карлики існують незалежно від зір і поступово згасають, а науковці лише починають розуміти, наскільки складними є ці об’єкти.

SPHEREx досліджує космос у 102 кольорах

Космічний телескоп SPHEREx запустили в березні 2025 року. Його основне завдання — створювати карти всього неба, збираючи приблизно 3600 зображень щодня. Ці спостереження допоможуть досліджувати історію Всесвіту, зокрема його найдавніші етапи, а також шукати молекули та лід, які можуть бути важливими для формування планет і виникнення життя.

Дослідження коричневих карликів стало одним із додаткових напрямів роботи телескопа.

SPHEREx вимірює яскравість об’єктів у 102 діапазонах, охоплюючи видиме червоне світло та інфрачервоне випромінювання. Такий набір вимірювань називають спектром. Різні молекули поглинають світло на певних довжинах хвиль, залишаючи характерні ознаки, за якими дослідники можуть визначати хімічний склад атмосфери.

Важлива перевага телескопа полягає в тому, що він спостерігає інфрачервоні діапазони, які значною мірою поглинаються земною атмосферою і тому недоступні для багатьох наземних спостережень.

Вода, метан і два види вуглецевих сполук

Команда проаналізувала 37 коричневих карликів, розташованих відносно близько до Землі та з виразними спектральними сигналами. Температури цих об’єктів охоплювали широкий діапазон — приблизно від 2200 °C до −20 °C.

У спектрах дослідники виявили ознаки чотирьох молекул:

• води (H₂O);
• метану (CH₄);
• чадного газу (CO);
• вуглекислого газу (CO₂).

Ці речовини допомагають зрозуміти, як змінюється хімічний склад атмосфер у міру охолодження коричневих карликів. За словами співавтора роботи Дж. Деві Кіркпатріка з IPAC, команда простежила, як спектральні ознаки молекул змінюються між об’єктами з різними температурами. Науковці вже мають дані про тисячі інших коричневих карликів, які ще належить проаналізувати.

Як охолодження змінює хмари та хімію

У гарячих коричневих карликах можуть утворюватися хмари з мінеральних частинок, подібних до звичайних гірських порід. Коли температура падає приблизно нижче 1130 °C, ці хмари опускаються глибше в атмосферу й стають менш помітними для спостерігача.

Ще одна важлива зміна відбувається за температур приблизно нижче 730 °C: вуглець в атмосфері дедалі частіше переходить у форму метану, а не чадного газу. Деякі досліджені об’єкти перебувають саме на цьому перехідному етапі. Їхні хмари стають менш щільними, а метан відіграє помітнішу роль у спектрі.

Дані SPHEREx показали, що сигнал чадного газу спочатку посилювався зі зниженням температури, а потім слабшав. Сигнал вуглекислого газу досягав максимуму за дещо нижчих температур. У холодніших об’єктах обидва сигнали помітно зменшувалися, особливо в діапазоні приблизно від 730 °C до 430 °C.

Ці зміни дають змогу простежувати, як атмосферна хімія реагує на охолодження, однак пояснити всі спостережувані особливості поки складно.

Чому комп’ютерні моделі не справляються

Дослідники порівняли отримані спектри з п’ятьма наборами сучасних комп’ютерних моделей. Кожен із них використовує власні припущення щодо хімічних реакцій і поведінки атмосферних хмар. Усі моделі загалом відтворювали перехід від чадного газу до метану зі зниженням температури. Проте жодна не змогла узгодити свої передбачення зі спостереженнями для всіх досліджених об’єктів. Найбільші розбіжності виникали в коричневих карликів, атмосфери яких перебувають на межі між щільною хмарністю та її поступовим зникненням.

За словами Рустамкулова, сучасні моделі правильно передають загальні тенденції в хімічному складі, але їм бракує точності для пояснення перехідних процесів. Навіть коричневі карлики з подібними температурами можуть демонструвати помітно різні спектри.

Це має практичне значення: астрономи визначають розміри, масу й температуру багатьох таких об’єктів, порівнюючи їхнє світло з модельними розрахунками. Якщо моделі неточні, оцінки фізичних властивостей також можуть мати значну невизначеність. Для одного з найхолодніших об’єктів у дослідженні різні моделі давали оцінки його розміру, що відрізнялися в три-чотири рази.

Наступні спостереження можуть уточнити картину

Автори наголошують, що вибірка з 37 об’єктів поки не дає повного уявлення про різноманіття коричневих карликів. Плавний перехід до метану може відображати реальну закономірність, але не виключено, що ретельно відібрана вибірка не показала всіх можливих відмінностей.

Крім того, частину даних отримали до оновлення програмного забезпечення місії, яке поліпшило виявлення несправних пікселів. Щоб зменшити їхній вплив, команда відкинула вимірювання, що надто сильно відрізнялися від сусідніх значень.

Протягом запланованої 25-місячної місії SPHEREx має просканувати все небо чотири рази. Повторні спостереження дадуть змогу уточнити спектри та перевірити, наскільки добре моделі пояснюють поведінку різних коричневих карликів.

Поки що залишається відкритим питання, чи достатньо вдосконалити моделювання хмар, чи атмосферна різноманітність цих об’єктів значно більша, ніж припускали вчені. Нові дані можуть допомогти не лише краще зрозуміти коричневі карлики, а й перевірити методи, за допомогою яких астрономи досліджують атмосфери далеких світів.