Учёные научились определять погоду на далёких мирах — это поможет искать потенциально обитаемые планеты

Учёные из Тринити-колледжа Дублина (Trinity College Dublin) разработали способ узнавать об изменениях погоды на коричневых карликах, анализируя едва заметные изменения их яркости. Метод опробовали на SIMP 0136 — объекте примерно в 20 световых годах от Земли, который по размерам и температуре находится между планетами-гигантами и звёздами. Методика необходима для отбора потенциально пригодных для жизни миров для дальнейшего изучения, что позволит сэкономить время.

Коричневые карлики недостаточно массивны для устойчивого водородного термоядерного горения — им не стать настоящими звёздами, зато их атмосфера может демонстрировать гигантские и быстро меняющиеся облачные структуры. Что важно, довольно сильный нагрев атмосферы у таких объектов позволяет новейшим приборам, включая космический телескоп «Джеймс Уэбб», получать достаточно информативные данные о состоянии воздушных масс на коричневых карликах. Именно наблюдения с помощью «Уэбба» позволили отслеживать изменения в атмосфере SIMP 0136 по мере вращения объекта и фактически изучать его атмосферу по изменениям света, попадающего в объектив телескопа от одной далёкой точки, которую «Уэбб» воспринимал как коричневого карлика.

Вместо построения сразу сложной физической модели атмосферы исследователи применили метод главных компонент (Principal Component Analysis, PCA). Он математически, методами статистики, раскладывает огромный массив наблюдений на несколько независимых составляющих, которые объясняют основную часть наблюдаемой изменчивости. Оказалось, что подавляющую часть изменений яркости SIMP 0136 можно описать всего двумя доминирующими компонентами. Первая соответствует изменениям температуры, а вторая — изменениям вертикальной структуры облаков. Тем самым невероятная сложность атмосферных процессов на далёкой «недозвезде» свелась к простому и устойчивому набору данных, которые распознавались даже на расстоянии нескольких десятков световых лет.

На основании этих двух компонент учёные выделили три повторяющихся состояния атмосферы, которые сменяют друг друга по мере вращения коричневого карлика. В поле зрения попеременно появляются более горячие области с менее плотной облачностью и более холодные регионы с толстым вертикальным облачным слоем. Особенно важно, что эти состояния атмосферы прослеживались и распознавались, частично сохраняясь, в течение более чем десятка оборотов объекта, хотя конкретный вид атмосферных структур постепенно менялся.

Таким образом, метод главных компонент позволил отделить устойчивые атмосферные процессы от менее значительных флуктуаций и инструментального или статистического шума, причём без необходимости заранее задавать большое количество предположений о строении атмосферы и проводить глубокое моделирование её состояния.

Метод представляет интерес не только для исследования самого SIMP 0136. Коричневые карлики являются удобными естественными лабораториями для проверки моделей атмосфер планет-гигантов, поскольку их можно наблюдать непосредственно, тогда как большинство экзопланет исследуется косвенными методами. Быстрый анализ главных компонент может использоваться как первый этап обработки данных «Уэбба»: сначала он выявляет доминирующие физические процессы, после чего для них можно строить значительно более сложные модели движения воздушных масс, образования облаков, переноса тепла и химического состава.

Авторы работы рассчитывают распространить метод на другие коричневые карлики и массивные экзопланеты, чтобы сравнивать их атмосферную динамику и выяснять, насколько разнообразными могут быть погодные системы в других планетных системах и, в конечном итоге, научиться отбирать по этому принципу наиболее пригодные для обитания миры, что сэкономит значительные силы и средства на поиск действительно «живых» миров.