دانشمندان با استفاده از تلسکوپ فضایی جیمز وب ناسا، سیستم آب و هوایی سازمان‌یافته‌ای را در یک دنیای مرموز در فاصله 20 سال نوری از زمین کشف کرده‌اند. (این تصویر، یک بازنمایی هنری از SIMP 0136 است.)
محققان دانشگاه تریتی دوبلین با استفاده از رصدخانه‌های تلسکوپ فضایی جیمز وب ناسا، SIMP 0136، یک کوتوله قهوه‌ای که قبلاً با پدیده‌هایی شبیه به شفق قطبی مرتبط بود، را مورد بررسی قرار دادند. آن‌ها دریافتند که آب و هوای پیچیده آن عمدتاً توسط دو عامل یعنی تغییرات دما و ساختار عمودی ابرها کنترل می‌شود.
این کشف، راهی جدید برای درک شرایط جوی دنیاهای دوردست ارائه می‌دهد و می‌تواند به ستاره‌شناسان در بررسی سیارات فراتر از منظومه شمسی ما کمک کند.
چگونگی رمزگشایی آب و هوای بیگانه توسط تلسکوپ وب ناسا
برای بررسی SIMP 0136، محققان از روشی به نام تجزیه مولفه‌های اصلی (PCA) برای تجزیه و تحلیل مشاهدات جمع‌آوری‌شده توسط تلسکوپ فضایی جیمز وب ناسا (JWST) استفاده کردند.
این تکنیک به دانشمندان کمک می‌کند تا با شناسایی قوی‌ترین الگوها در آن‌ها، مجموعه‌های داده بزرگ و پیچیده را درک کنند. در این مورد، تیم نحوه تغییر نور کوتوله قهوه‌ای را هنگام چرخش بررسی کرد و به دنبال تغییرات ظریفی بود که می‌تواند نشان‌دهنده آنچه در اتمسفر آن می‌گذرد باشد.
به جای شروع با فرضیات دقیق در مورد نحوه رفتار اتمسفر، محققان اجازه دادند مشاهدات مهم‌ترین فرآیندها را آشکار کنند. این روش همچنین به تفکیک تغییرات جوی واقعی از نوسانات جزئی و نویز تصادفی در اندازه‌گیری‌ها کمک کرد.
ابزارهای فوق‌العاده حساس تلسکوپ وب این امر را ممکن ساخت با تشخیص تغییرات بسیار کوچک در روشنایی جسم هنگام چرخش قسمت‌های مختلف اتمسفر آن.
دانشمندان نظم پنهان در آب و هوای بیگانه آشفته را کشف کردند
نتایج نشان داد که چیزی غیرمنتظره وجود دارد. اگرچه SIMP 0136 دارای اتمسفری بسیار پیچیده به نظر می‌رسد، اما تقریباً تمام تغییرات جوی مشاهده‌شده آن را می‌توان با تنها دو مولفه اصلی که با نوسانات دما و تغییرات در آرایش عمودی ابرها سازگار است، توضیح داد.
به‌طور شگفت‌انگیز، محققان سه حالت آب و هوایی تکرارشونده را شناسایی کردند که با چرخش کوتوله قهوه‌ای از دید ناپدید و دوباره ظاهر می‌شوند.
این حالت‌ها با هم، یک وصله جوی متغیر ایجاد می‌کنند. برخی از مناطق گرم‌تر و دارای ابرهای نازک‌تر هستند، در حالی که برخی دیگر خنک‌تر و دارای لایه‌های ابری ضخیم‌تری هستند که به صورت عمودی در سراسر اتمسفر گسترش یافته‌اند.
به جای تغییر مداوم به روشی غیرقابل پیش‌بینی، این الگوهای آب و هوایی به نظر می‌رسد از یک ساختار اساسی پیروی می‌کنند.
یافته‌ها که در Astronomy & Astrophysics منتشر شده است، نشان می‌دهد که اتمسفر به ظاهر آشفته SIMP 0136 در واقع توسط مجموعه‌ای به‌طور شگفت‌انگیزی سازگار از فرآیندها کنترل می‌شود.
کوتوله‌های قهوه‌ای جایگاه غیرمعمولی بین سیارات و ستارگان دارند. SIMP 0136 بزرگتر و گرم‌تر از یک سیاره غول‌پیکر معمولی است، اما فاقد جرم لازم برای درخشش مانند یک ستاره است. اتمسفر آن حاوی سیستم‌های ابری عظیمی است که به سرعت تکامل می‌یابند و آب و هوای آن را بیشتر شبیه به یک نسخه شدیدتر از سیاره مشتری می‌کند تا هر چیزی که در زمین تجربه می‌شود.
این سیستم‌های آب و هوایی عظیم می‌توانند مقیاس سیاره‌ای داشته باشند و به طور مداوم ظاهر دنیای دوردست را تغییر دهند.
مرل شرادر، نامزد دکترای مدرسه فیزیک تریتی، گفت: «ما همچنین کشف کردیم که این محرک‌های الگوهای آب و هوایی در SIMP-0136 در طول زمان پابرجا می‌مانند، حتی با تکامل ظاهر دقیق اتمسفر در طول بیش از یک دوجین چرخش.»
«به طور نسبی، SIMP 0136 یکی از کوتوله‌های قهوه‌ای است که داده‌های باکیفیت را از آن به دست می‌آوریم. این داده‌ها قبلاً توسط روش‌های تثبیت‌شده مورد مطالعه قرار گرفته‌اند که به ما امکان می‌دهد برخی از نتایج حاصل از این روش جدید را با آنچه در مورد این شیء می‌دانیم مقایسه کنیم. این تکنیک همچنین به ما کمک کرده است تا درک بهتری از آنچه که آب و هوا را در این دنیای دوردست هدایت می‌کند و چگونگی تعامل و همزیستی این الگوهای آب و هوایی داشته باشیم، اما شاید مهم‌تر از همه، نشان می‌دهد که چگونه می‌توان این رویکرد را بیشتر اصلاح و به کوتوله‌های قهوه‌ای دیگر در قسمت‌های مختلف فضا اعمال کرد.»
ارتباطی شگفت‌انگیز در فاصله 20 سال نوری
برای شرادر، این تحقیق همچنین ارتباطی شخصی غیرمعمول با شیء دوردست آشکار کرد.
SIMP 0136 در حدود 20 سال نوری از زمین واقع شده است، به این معنی که نور آن حدود دو دهه طول می‌کشد تا به ما برسد. نوری که توسط وب در سال 2023 ثبت شده و در این مطالعه استفاده شده، در واقع در سالی که شرادر به دنیا آمد، از کوتوله قهوه‌ای ساطع شده بود.
او گفت: «نور با سرعت حدود 300000 کیلومتر در ثانیه حرکت می‌کند، اما حتی با این سرعت، رسیدن آن به ما 20 سال طول کشید و از طریق لنزهای JWST به ما رسید.»
«وقتی در نظر بگیرید که نور برای رسیدن به ماه از زمین فقط به یک ثانیه زمان نیاز دارد، این نشان‌دهنده فاصله بسیار دور SIMP 0136 و شگفت‌انگیز بودن پیشرفت‌های اخترفیزیکی است. فکر می‌کنم شگفت‌انگیز است که توانسته‌ایم الگوهای آب و هوایی دقیق یک دنیای دوردست را از گوشه دنج جهان خود ترسیم کنیم، در حالی که تنها چیزی که مستقیماً از این اشیاء مشاهده می‌کنیم یک پیکسل واحد در طیف نور است.»
این دستاورد نشان می‌دهد که چقدر اطلاعات می‌توان از مقدار کمی نور به دست آورد. حتی اگر SIMP 0136 در مشاهدات تلسکوپی به عنوان چیزی بیشتر از یک نقطه واحد ظاهر شود، تغییرات در روشنایی آن در طول موج‌های مختلف می‌تواند اطلاعات دقیقی در مورد اتمسفر آن آشکار کند.
معنای این کشف برای سیارات دوردست
این تکنیک جدید می‌تواند فراتر از SIMP 0136 تأثیرگذار باشد.
کوتوله‌های قهوه‌ای برای بررسی اتمسفر سیارات فراخورشیدی، یعنی سیاره‌هایی که به دور ستاره‌هایی خارج از منظومه شمسی ما می‌چرخند، ارزشمند هستند. از آنجایی که کوتوله‌های قهوه‌ای را می‌توان اغلب به طور مستقیم مشاهده کرد، فرصتی را برای دانشمندان فراهم می‌کنند تا فرآیندهای جوی را که بررسی آن‌ها در بیشتر سیارات فراخورشیدی دشوتر است، مطالعه کنند.
با بررسی این اشیاء، محققان می‌توانند آزمایش کنند که چگونه ابرها شکل می‌گیرند، چگونه گرما در اتمسفر حرکت می‌کند و چگونه گردش اتمسفر در شرایط شدید رفتار می‌کند.
تکنیکی که توسط تیم تریتی توسعه یافته است می‌تواند این تحقیقات را به طور قابل توجهی کارآمدتر کند. با شناسایی سریع فرآیندهای مسئول بیشتر تغییرات جوی مشاهده‌شده، ستاره‌شناسان می‌توانند بهتر تعیین کنند که کدام ویژگی‌ها شایسته بررسی دقیق‌تر با استفاده از مدل‌های پیچیده‌تر کامپیوتری هستند.
پروفسور یوهانا ووس، دانشیار مدرسه فیزیک تریتی، اهمیت بالقوه این یافته‌ها را توضیح داد.
«یافته‌های ما نحوه تجزیه و تحلیل مشاهدات آینده JWST توسط ستاره‌شناسان را تغییر می‌دهد. از آنجایی که رویکرد ما به سرعت مولفه‌های اصلی اتمسفر را شناسایی می‌کند، گامی کارآمد قبل از شروع مدل‌سازی محاسباتی فشرده ارائه می‌دهد.
«اعمال این تکنیک به طیف گسترده‌ای از کوتوله‌های قهوه‌ای و سیارات فراخورشیدی به ما کمک می‌کند تا سیستم‌های آب و هوایی متنوعی را که دنیاهای فراتر از منظومه شمسی ما را شکل می‌دهند، بهتر درک کنیم.»
در نهایت، درک آب و هوا در دنیاهای دوردست فقط به شناسایی ابرها و تغییرات دما مربوط نمی‌شود. رفتار جوی می‌تواند سرنخ‌های مهمی در مورد ترکیب شیمیایی، شرایط فیزیکی و محیط کلی یک سیاره ارائه دهد.
این بینش‌ها همچنین به یکی از بزرگترین سوالات نجوم مرتبط هستند: کدام سیارات فراتر از منظومه شمسی ما ممکن است شرایطی را داشته باشند که قادر به پشتیبانی از حیات باشند؟
با آشکار کردن چگونگی درک اتمسفرهای بیگانه پیچیده از تغییرات کم‌نور، این رویکرد جدید می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا یک گام دیگر به پاسخ به این سوال نزدیک شوند.