Тайна кремния — древний коричневый карлик раскрыл секрет атмосфер газовых гигантов
Необычный космический объект под названием «Несчастный случай» (The Accident)* стал ключом к пониманию одной из загадок планетарной химии — почему кремний, несмотря на свою распространенность во Вселенной, практически не обнаруживается в атмосферах газовых гигантов, таких как Юпитер и Сатурн, а также в атмосферах экзопланет. Новое исследование, основанное на данных космического телескопа Джеймс Уэбб, опубликованное в журнале Nature, проливает свет на этот вопрос, используя в качестве лаборатории редкий и загадочный коричневый карлик.
«Несчастный случай» или WISE 1534−1043 — это необычный коричневый карлик, объект, который находится на грани между звездой и планетой: он слишком массивен, чтобы считаться планетой, но не обладает достаточной массой для запуска устойчивого термоядерного синтеза, как настоящая звезда. Этот объект был случайно обнаружен в 2020 году в рамках научной программы Backyard Worlds: Planet 9, где добровольцы анализируют архивные данные с ныне не действующего спутника NEOWISE, разработанного Лабораторией реактивного движения НАСА. Благодаря уникальным характеристикам, WISE 1534−1043 ускользал от стандартных методов обнаружения, и только мощность телескопа Джеймс Уэбб позволила детально изучить его атмосферу. Спектроскопические модели для коричневых карликов с низким содержанием металлов показали температуру его ниже 500 К (<227 °C ), что делает WISE 1534−1043 так называемым Y-карликом.
Одним из главных сюрпризов стало обнаружение молекулы силана — SiH4, простого соединения кремния с водородом. Силан долгое время считался теоретически возможным компонентом атмосфер газовых гигантов, однако его не удавалось обнаружить ни в Солнечной системе, ни в тысячах экзопланет и коричневых карликов. «Несчастный случай» стала первым объектом, где силан был достоверно идентифицирован.
Ученые предполагают, что кремний присутствует в атмосферах Юпитера и Сатурна, но скрыт от наблюдений. В более теплых слоях атмосфер он, вероятно, связывается с кислородом, образуя твердые оксиды, такие как кварц. Эти частицы могут конденсироваться в облака, которые, в свою очередь, опускаются вглубь атмосферы под действием гравитации, увлекая за собой кремний. В результате он оказывается глубоко под слоями водяного пара и аммиака, недоступными для современных инструментов. Таким образом, даже при близких пролетах космических аппаратов, таких как Juno или Cassini, кремний остается «невидимым».
Тем не менее, ученые ожидали обнаружить более легкие соединения кремния, вроде силана, в верхних слоях атмосфер, где они могли бы существовать в газообразной форме. Их отсутствие в большинстве объектов указывает на то, что химические процессы в этих атмосферах активно подавляют образование силана. Ключевой фактор, по мнению исследователей, — это наличие кислорода. В средах с высоким содержанием кислорода он быстро и эффективно связывается с кремнием, не оставляя его свободным для взаимодействия с водородом и формирования силана.
Почему же тогда силан обнаружен именно на WISE 1534−1043? Ответ, вероятно, кроется в его возрасте. Объект расположен примерно в 50 световых годах от Земли и, судя по всему, сформировался 10–12 миллиардов лет назад, что делает его одним из самых древних известных коричневых карликов. В ту эпоху Вселенная состояла в основном из водорода и гелия, а тяжелые элементы, включая кислород, углерод и азот, еще не были широко распространены — они образовывались позже в недрах звезд и выбрасывались при взрывах сверхновых. Следовательно, в атмосфере WISE 1534−1043 было значительно меньше кислорода, чем в более молодых объектах. Это позволило кремнию связаться с водородом, образуя силан, вместо того чтобы уйти в состав оксидов.
Таким образом, WISE 1534−1043 представляет собой уникальное «окно» в химическую эволюцию Вселенной. Его атмосфера — это живой пример того, как химия планет и звездных объектов зависела от начального химического состава среды, в которой они формировались. Этот случай подтверждает, что силан может существовать в атмосферах газовых миров, но только при условиях низкого содержания кислорода.
Интересно, что исследователи изначально не ставили перед собой задачу объяснить химию Юпитера или Сатурна. Их целью было понять, почему WISE 1534−1043 выглядит настолько странно: он сочетает в себе признаки как молодых, так и старых коричневых карликов, что делает его трудным для классификации. Обнаружение силана стало полной неожиданностью. Как отметил Питер Эйзенхардт из JPL, научный сотрудник миссии WISE, которая позже стала NEOWISE, Вселенная продолжает удивлять, открывая новые явления даже в ходе поиска ответов на другие вопросы.
Коричневые карлики играют важную роль в астрономических исследованиях, поскольку они проще для наблюдения, чем экзопланеты. Свет экзопланет часто теряется на фоне яркости их родительских звезд, тогда как коричневые карлики, как правило, существуют в одиночку или на большом удалении от звезд, что позволяет детально изучать их атмосферы. Полученные данные помогают улучшить модели атмосферной химии, применимые не только к газовым гигантам, но и к потенциально обитаемым каменистым экзопланетам.
Хотя на коричневых карликах невозможно найти жизнь, изучение их сложных атмосфер готовит ученых к будущему анализу атмосфер планет, подобных Земле. Когда появятся данные о химическом составе таких миров, исследователи столкнутся с теми же трудностями: неожиданными молекулами, несоответствиями моделям, сложными интерпретациями. Опыт, полученный на объектах вроде WISE 1534−1043, поможет им не теряться перед лицом неожиданных открытий.
*WISE 1534-1043 получил прозвище «Несчастный случай», потому что ученый-любитель Дэн Каселден случайно обнаружил его, когда искал другой объект в данных космического телескопа NEOWISE в рамках проекта Backyard Worlds. Объект был невероятно слабым и двигался очень быстро, что делало его неожиданно заметным, что привело к его случайному обнаружению и такому прозвищу.