To prosesser styrer været på SIMP 0136

SIMP 0136 er for fjern til at teleskoper kan ta et detaljert bilde av selve atmosfæren. Men når den planetmassive brune dvergen roterer, kommer ulike områder av atmosfæren til syne. Ved å måle hvordan det infrarøde lyset endret seg over tid med NASAs James Webb-romteleskop (JWST), kunne astronomene undersøke været på objektet. Hovedfunnet er at de målbare variasjonene først og fremst drives av to forhold: temperaturendringer og endringer i skyenes vertikale struktur. 14

Rotasjonen fungerer som en atmosfærisk skanner

Forskergruppen analyserte tidsserier av spektre fra JWST-instrumentet NIRSpec PRISM gjennom én full rotasjon av SIMP 0136. I stedet for ett gjennomsnittlig spekter registrerer denne metoden lysstyrken ved mange infrarøde bølgelengder gjentatte ganger. Slik kan man se hvordan det samlede lyset endrer seg idet forskjellige atmosfæriske områder roterer inn og ut av synsfeltet. 14

Dette er særlig nyttig for brune dverger og direkte avbildede kjempeeksoplaneter som ikke kan romlig oppløses av teleskopet. Rotasjonen gir da vekslende innsyn i en flekkvis atmosfære. JWST-programmet var laget for å hente ut faseoppløst informasjon – altså informasjon knyttet til ulike lengdegrader – gjennom en hel rotasjon. 7

PCA skilte de sterkeste signalene fra resten

Deretter brukte forskerne hovedkomponentanalyse, vanligvis forkortet PCA. Det er en statistisk metode som koker et stort og komplisert datasett ned til de mest fremtredende, uavhengige endringsmønstrene. Før man forsøker å forklare hver detalj med en bestemt sky-, kjemi- eller temperaturmodell, kan PCA altså vise hvor mange tydelige variasjonsmønstre observasjonene faktisk krever. 14

For SIMP 0136 var to hovedkomponenter nok til å redusere resten av signalet til nivået som forventes av måleusikkerheten. Det betyr at den sammenhengende, påvisbare spektrale værvariabiliteten i dette JWST-datasettet i praksis kan beskrives med to dominerende mønstre. 14

Temperatur og skyer i høyden

Den viktigste hovedkomponenten ga brede endringer i spekteret, i tråd med at temperaturen i atmosfæren varierer. Den andre var mer bølgelengdeavhengig og ble koblet til endringer i skyenes vertikale struktur – altså hvordan skyer er fordelt i ulike høyder i atmosfæren. 14

Dette er to forskjellige mekanismer. Temperatur påvirker det infrarøde lyset bredt, mens skyer i ulike høyder endrer hvor dypt ned i atmosfæren strålingen kan komme fra. Derfor kan lysstyrken endre seg ulikt ved forskjellige bølgelengder. 14

To mønstre, men minst tre tilbakevendende værtilstander

At PCA finner to dominerende komponenter, betyr ikke at SIMP 0136 bare har to ensartede atmosfæriske områder. En tidligere JWST-analyse viste at to komponenter forklarte 81 prosent av spektralvariasjonen, men geometrien i PCA-resultatene tydet på minst tre ulike spektrale regioner i løpet av én rotasjon. Det gjennomsnittlige spekteret kunne også bare forklares ved å kombinere minst tre regioner i sammenligninger med atmosfæremodeller. 235

Det mest presise er derfor å snakke om minst tre tilbakevendende spektrale eller atmosfæriske tilstander, ikke en enkel veksling mellom to «sider» av objektet. Kildematerialet gir ikke sikre navn eller fullstendige fysiske beskrivelser av hver av de tre regionene, så en mer detaljert karakteristikk ville gå lenger enn dokumentasjonen tillater.

At tilstandene skal ha gått igjen over mer enn et dusin rotasjoner, er forenlig med store og relativt langlivede værstrukturer – snarere enn skymønstre som blir fullstendig tilfeldig dannet på nytt for hver runde. Det er likevel en slutning ut fra stabiliteten i de spektrale mønstrene, ikke et direkte bilde av faste trekk på den brune dvergen.

Hvorfor en modelluavhengig start er viktig

Atmosfæriske modeller er avgjørende for å oversette spektrene til fysiske størrelser, men resultatene kan avhenge av antakelser om blant annet skyer, kjemi og temperaturprofiler. PCA er et nyttig supplement fordi metoden først fastslår hvilke sterke mønstre dataene selv inneholder, før en detaljert fysisk forklaring blir lagt på. 14

Dermed kan metoden også fungere som en kontroll av mer antakelsestunge modeller. Når robuste variasjonsmønstre er identifisert, kan forskerne teste om de best forklares av temperaturstruktur, skyhøyde, kjemi, nordlysrelatert oppvarming eller flere mekanismer samtidig. En separat JWST-studie har for eksempel undersøkt temperaturstruktur, kjemi og skydannelse gjennom en hel rotasjon. 6

En oppskrift for å studere vær på fjerne verdener

SIMP 0136 er et tilgjengelig laboratorium for å forstå atmosfæredynamikk utenfor solsystemet. Arbeidsmetoden – faseoppløste spektre, datadrevne hovedmønstre og deretter fysiske forklaringer – kan brukes til å sammenligne flekkvise atmosfærer hos både brune dverger og kjempeeksoplaneter. 147

Poenget er like mye metodisk som meteorologisk: En verden trenger ikke kunne fotograferes direkte for at atmosfæren skal kunne kartlegges. På SIMP 0136 peker JWST-dataene mot to ledende drivkrefter, samtidig som de viser en mer sammensatt atmosfærisk scene med minst tre tilbakevendende spektrale regioner. 12