Водяные облака на холодном карлике

Загадочный объект WISE 0855-0714 (сокращенно WISE 0855) получил свое обозначение по имени инфракрасной обсерватории WISE, в архивах наблюдений которой он был обнаружен. С момента своего открытия в 2014 г. он продолжает озадачивать астрономов. Несмотря на то, что расстояние до него составляет всего 7,2 световых года (фактически это четвертое по удаленности от Солнца небесное тело, не связанное с ним гравитационно — после системы α Центавра, звезды Барнарда и еще одного слабого инфракрасного источника WISE 1049-5319), наблюдать его можно только с использованием самых мощных наземных и космических телескопов.

По всем признакам этот объект относится к категории коричневых карликов — экстремально маломассивных звезд, не способных поддерживать в своих недрах реакции термоядерного синтеза гелия из водорода. Лишь на ранних этапах эволюции в них на протяжении нескольких миллионов лет происходят аналогичные реакции на основе дейтерия — считается, что для этого карлик должен не менее чем в 13 раз превышать по массе Юпитер.

Основная часть излучения коричневых карликов приходится на инфракрасный диапазон. Недавно группе сотрудников Калифорнийского университета в Санта-Крус (University of California, Santa Cruz) удалось получить спектр WISE 0855 в этом диапазоне с помощью телескопа Gemini North на Гавайских островах. Уже первое знакомство с наблюдательным материалом позволило ученым сделать предварительные выводы об особенностях химического состава этого объекта. В частности, были обнаружены убедительные доказательства существования на нем облаков из мелких водяных капель или ледяных кристаллов. Такие облака за пределами Солнечной системы зарегистрированы впервые.

Астрономы сумели также примерно определить массу WISE 0855, оказавшуюся примерно впятеро больше массы Юпитера, и температуру его поверхности, близкую к 250 кельвинам (-23°C). Таким образом, это самый холодный из всех уже известных объектов, расположенных за пределами сферы притяжения Солнца (аналогичный показатель в районе верхней границы юпитерианских облаков — около 130 K; некоторые постоянно затененные участки на дне кратеров вблизи полюсов Луны никогда не прогреваются выше -240°C , или же 33 K). «Мы ожидали, что на столь холодном объекте могут существовать водяные облака, и наши ожидания не были обмануты, — прокомментировал открытие один из авторов статьи о новом исследовании Эндрю Скимер (Andrew Skemer), доцент кафедры астрономии и астрофизики в Калифорнийском университете в Санта-Крус. — WISE 0855 — первая возможность исследовать внесолнечный объект планетной массы, столь же холодный, как и планеты-гиганты Солнечной системы».

При анализе предыдущих наблюдений коричневого карлика, опубликованных в 2014 г., уже появились предположения о наличии на нем водяных облаков, но это были всего лишь косвенные фотометрические свидетельства. Единственным надежным способом дистанционного определения химического состава остается спектроскопия. Однако WISE 0855 слишком слаб для обычных спектральных исследований. Пожалуй, единственной возможностью оставалась регистрация теплового излучения глубоких слоев его атмосферы в узком «окне» (на длине волны около 5 мкм). Для этого астрономы в течение 13 ночей — более 14 часов чистого наблюдательного времени — вели мониторинг этого объекта с помощью спектрографа GNIRS (Gemini Near Infrared Spectrograp) телескопа Gemini North. В ходе наблюдений яркость коричневого карлика была примерно в пять раз меньше яркости какого-либо другого объекта, наблюдавшегося наземными инструментами в данном диапазоне спектра.

Исследователи разработали атмосферные модели «равновесной химии» для космического тела с температурой 250 K и построили возможные спектры при разных предположениях — в частности, для «облачного» и «безоблачного» сценария. Все они предсказывали наличие специфических спектральных особенностей, указывающих на доминирование водяного пара и продуктов его конденсации (водяных капель и ледяной пыли). Наилучшее соответствие наблюдаемых и вычисленных спектров продемонстрировала как раз облачная модель.

Сравнивая коричневый карлик с Юпитером, ученые обнаружили, что в части линий поглощения воды их спектры очень похожи. Наиболее существенное различие — заметно большее количество фосфина PH3 в юпитерианской атмосфере. Фосфин (фосфористый водород) синтезируется в горячих внутренних областях планеты и препятствуют образованию других химических соединений в более холодных внешних атмосферных слоях, поэтому его наличие может быть свидетельством турбулентного перемешивания в газовой оболочке Юпитера. И наоборот, отсутствие сильного «фосфинового сигнала» в спектре WISE 0855 говорит о менее интенсивных конвективных потоках в его атмосфере. Возможно, это связано с более мощной гравитацией карлика, или же с тем, что рядом с ним нет внешнего источника энергии, подобного Солнцу.