شیء جداگانه با جرم سیاره‌ای SIMP J013656.5+093347.3 می‌تواند هرکدام از این‌ها باشد. این تمایز عمدتاً معنایی است. هر طور که آن را برچسب‌گذاری و تعریف کنیم، این شیء جو پیچیده‌ای را نشان می‌دهد که برای یک شیء جداگانه بدون هیچ انرژی ستاره‌ای شگفت‌آور است.
در اکثر سیاره‌ها با جو، از جمله سیاره ما، خروجی یک ستاره به طور بنیادی بر جو تأثیر می‌گذارد. نور و حرارت نه تنها بر دما و ساختار جو تأثیر می‌گذارند، بلکه می‌توانند بر شیمی کلی جو نیز تأثیر بگذارند. حرارت خورشید باعث می‌شود در جو زمین همرفت ایجاد شود و گرما را در اطراف سیاره ما گردش دهد. همچنین اشعه فرابنفش خورشید لایه اوزون زمین را ایجاد می‌کند.
جو سیاره‌ای چگونه رفتار می‌کند وقتی ستاره‌ای در نزدیکی آن نباشد؟ ممکن است انتظار یک جو نسبتاً ساده بر روی یک شیء با جرم سیاره‌ای مانند SIMP J013656.5+093347.3 (که از این پس به آن SIMP گفته می‌شود) داشته باشیم، اما اینطور نیست. در عوض، SIMP دارای جوی عمیق و لایه‌ای است که با شفق‌های قطبی و حتی ابرهایی از ذرات آهن پر شده است.
این جزئیات و بیشتر توسط تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) کشف شده و در تحقیق جدیدی در The Astrophysical Journal Letters منتشر شده است. عنوان مقاله “گزارش وضعیت جو از آنالوگ سیاره‌ای جداگانه SIMP 0136+0933: تغییرات وابسته به فشار تحت تأثیر چندین مکانیسم” است و نویسنده اصلی آلیسون مک‌کارتی، پژوهشگر پسادکتری در رشته نجوم در دانشگاه بوستون است.
SIMP یک شیء آزاد شناور با حدود ۱۳ برابر جرم مشتری است، به این معنی که می‌تواند به عنوان یک کوتوله قهوه‌ای طبقه‌بندی شود. این شیء حدود ۲۰ سال نوری از ما فاصله دارد و به سرعت می‌چرخد، به طوری که یک چرخش را در حدود ۲.۴ ساعت کامل می‌کند. اگرچه دانشمندان آن را یک سیاره فراخورشیدی طبقه‌بندی نمی‌کنند، اما همچنان یک هدف عالی در مطالعه هواشناسی فراسیاره‌ای است. این شیء روشن است و جداگانه است، به این معنی که هیچ آلودگی نوری برای مختل کردن مشاهدات وجود ندارد.
SIMP ممکن است به دور یک ستاره نچرخد و از تأثیر یک ستاره جدا باشد، اما هنوز هم می‌چرخد. طبق تحقیقاتی که انجام شده، چرخش آن به پیچیدگی غیرعادی جو آن کمک می‌کند. نویسندگان مقاله می‌نویسند: “بسیاری از اشیاء با جرم سیاره‌ای جدا، تغییرات در درخشندگی فروسرخ خود را نشان می‌دهند که با ویژگی‌های غیر یکنواخت جوی که تحت تأثیر چرخش آن‌ها قرار دارد، مطابقت دارند. SIMP J013656.5+093347.3 یک شیء با جرم سیاره‌ای جدا و چرخش سریع است و پایش‌های فروسرخ قبلی نشان می‌دهند که ویژگی‌های جوی پیچیده‌ای در حال چرخش هستند.”
پیچیدگی جو SIMP تنها به چرخش محدود نمی‌شود. “ماهیت فیزیکی این ویژگی‌ها به خوبی درک نشده است، با ابرها، تغییرات دما، ناپایداری‌های ترموشیمیایی و شفق‌های فروسرخ که به عنوان مکانیسم‌های مؤثر پیشنهاد شده‌اند.” پژوهشگران توضیح می‌دهند.
پژوهشگران SIMP را با استفاده از JWST و دو ابزار NIRSpec (طیف‌سنج نزدیک‌فروسرخ) و MIRI (ابزار میانه فروسرخ) مشاهده کردند. NIRSpec هزاران طیف فردی را در ناحیه نزدیک فروسرخ برای بیش از سه ساعت ضبط کرد که به اندازه کافی طولانی بود تا SIMP یک چرخش کامل کند. سپس، MIRI صدها اندازه‌گیری طیف‌سنجی میانه فروسرخ را ثبت کرد در حالی که SIMP یک چرخش دیگر را تکمیل می‌کرد.
مک‌کارتی و همکارانش الگوهای مشخصی در منحنی‌های نوری SIMP پیدا کردند. وقتی برخی از طول‌موج‌ها روشن می‌شدند، طول‌موج‌های دیگر کم‌رنگ می‌شدند و برخی تغییر چندانی نداشتند. این نشان می‌دهد که عوامل مختلفی بر تغییرات تأثیر می‌گذارند.
داده‌ها همچنین نشان دادند که چگونه درخشندگی SIMP در حین چرخش تغییر می‌کند.
“دیدن تغییرات کامل طیف این شیء در طول دقایق شگفت‌انگیز بود.” این گفته‌ها از یوهانا ووس، محقق اصلی از کالج ترینیتی دوبلین در یک اطلاعیه خبری است. “تا به حال، فقط یک بخش کوچک از طیف نزدیک فروسرخ را از هابل و چند اندازه‌گیری درخشندگی از اسپیتزر داشتیم.”
جوهای سیاره‌ای به ندرت بدون ویژگی هستند و با مشاهده یک سیاره در طول چرخش آن، دانشمندان می‌توانند اطلاعاتی در مورد ماهیت آن به دست آورند. فیلیپ مویرهد، همکار نویسنده از دانشگاه بوستون، مشاهده SIMP را مشابه مشاهده سیاره خودمان می‌داند.
“تصور کنید که زمین را از فاصله‌ای دور مشاهده می‌کنید. اگر به هر رنگ به طور جداگانه نگاه کنید، الگوهای متفاوتی را خواهید دید که چیزی در مورد سطح و جو آن به شما می‌گویند، حتی اگر نتوانید ویژگی‌های فردی را تشخیص دهید.” مویرهد توضیح می‌دهد. “آبی افزایش می‌یابد وقتی که اقیانوس‌ها به دید می‌آیند. تغییرات در قهوه‌ای و سبز چیزی در مورد خاک و گیاهان به شما خواهند گفت.”
آسمان SIMP بسیار پیچیده است و احتمالاً هیچ مکانیسمی نمی‌تواند پیچیدگی آن را به تنهایی توضیح دهد. مانند زمین و تمام پیچیدگی‌های آن. جو زمین تحت تأثیر عوامل مختلفی از جمله دمای اقیانوس، کوه‌ها، جریان‌های اقیانوسی، آلودگی، محتوای CO2 و انرژی خورشید است. اگر فقط یک روز مشاهدات داشته باشیم، نمی‌توانیم به درستی درک کنیم که همه این‌ها چگونه کار می‌کنند.
با این حال، پژوهشگران توضیح می‌دهند که برخی از طول‌موج‌های SIMP منحنی‌های نوری مشابهی دارند و این می‌تواند کلیدی برای درک جو آن از ۲۰ سال نوری فاصله باشد. “از آنجا که مکانیسم‌های فیزیکی مانند ابرها، شفق‌ها، نقاط داغ یا ناپایداری‌های شیمیایی ممکن است همه باعث تغییرات منحنی نوری شوند، ما نتیجه می‌گیریم که شکل‌های مشابه نشان‌دهنده مکانیسم‌های فیزیکی مشترک هستند.” نویسندگان در مقاله خود می‌نویسند.
“طول‌موج‌های مختلف اطلاعاتی در مورد عمق‌های مختلف جو ارائه می‌دهند.” مک‌کارتی توضیح می‌دهد. “ما شروع کردیم به درک این که طول‌موج‌هایی که مشابه‌ترین شکل‌های منحنی نوری را دارند، عمق‌های مشابهی را هم مورد بررسی قرار می‌دهند، که این ایده را تقویت می‌کند که این‌ها باید توسط همان مکانیسم ایجاد شوند.”
در بخشی از تحقیق خود، تیم پژوهشی طول‌موج‌های نوری را بر اساس شکل آن‌ها گروه‌بندی کرد که به آن‌ها کمک کرد تا از داده‌ها نتیجه‌گیری‌های معناداری استخراج کنند. “طول‌موج‌هایی که منحنی‌های نوری مشابه دارند احتمالاً تحت تأثیر همان مکانیسم‌ها قرار دارند، بنابراین با گروه‌بندی منحنی‌های نوری مشابه می‌توانیم این مکانیسم‌ها را بررسی کنیم.”
نویسندگان می‌گویند که ابرها در ارتفاعات مختلف می‌توانند برخی از جریان‌ها در جو را مسدود کنند و به ایجاد تغییرات دمایی کمک کنند. آن‌ها همچنین می‌گویند که فراوانی مولکولی شکل‌های خاصی از منحنی نوری را ایجاد می‌کند. اما برخی از نقاط روشن در ارتفاعات بالا هستند، بالاتر از ابرها. این‌ها ممکن است به شفق‌ها یا به گاز داغی که از عمق جو بالا می‌آید، مرتبط باشند.
وقتی به شیمی نگاه می‌کنیم، پیچیدگی حتی بیشتر است. برخی از منحنی‌های نوری نمی‌توانند توسط ابرها یا دما توضیح داده شوند. در عوض، ممکن است مربوط به شیمی کربن باشند. جیب‌های CO و CO2 ممکن است در حال چرخش در میدان دید باشند، یا واکنش‌های شیمیایی ممکن است باعث تغییرات جوی در طول زمان شوند.
“ما هنوز واقعاً بخش شیمیایی پازل را پیدا نکرده‌ایم.” ووس می‌گوید. “اما این نتایج واقعاً هیجان‌انگیز هستند زیرا به ما نشان می‌دهند که فراوانی مولکول‌هایی مانند متان و دی‌اکسید کربن می‌تواند از جایی به جای دیگر و در طول زمان تغییر کند. اگر ما در حال مشاهده یک سیاره فراخورشیدی باشیم و تنها یک اندازه‌گیری انجام دهیم، باید در نظر بگیریم که ممکن است این اندازه‌گیری نمایانگر تمام سیاره نباشد.”
SIMP قبلاً بارها مورد مطالعه قرار گرفته است و این یکی دیگر از مواردی است که JWST درک دانشمندان از اشیاء مرموز را گسترش و عمیق‌تر کرده است. “این مطالعه، اولین تحلیل تغییرات طیف‌سنجی JWST از یک شیء با جرم سیاره‌ای، قدرت منحصر به فرد JWST برای کاوش جوهای فراخورشیدی را نشان می‌دهد.” نویسندگان می‌نویسند. “وقتی این نتایج را با مطالعات قبلی از این شیء که نشان‌دهنده ابرهای لکه‌ای و شفق‌ها است ترکیب کنیم، این اندازه‌گیری‌ها پیچیدگی غنی جو SIMP J013656.5+093347.3 را آشکار می‌کنند.”
اگرچه JWST به ما نگاه روزانه اولین به SIMP را داده است، هنوز تنها یک نگاه اجمالی است. اگر ما درک خود از سیاره‌های منظومه شمسی را تنها بر اساس مشاهدات یک روز قرار دهیم، آن‌ها را به اشتباه درک خواهیم کرد. همین امر برای SIMP نیز صدق می‌کند.
نویسندگان نتیجه‌گیری می‌کنند، که “مشاهدات طولانی‌تر که چندین چرخش را شامل شوند برای درک عمیق‌تر مکانیسم‌های جوی در حال تحول و تشخیص مقیاس‌های زمانی تغییرات ضروری است. نظارت بر تغییرات در اشکال منحنی نوری در طول زمان به ما کمک خواهد کرد تا این مکانیسم‌ها را از هم جدا کرده و ارتباط آن‌ها را ارزیابی کنیم.”
