都柏林三一学院的研究人员利用NASA詹姆斯·韦伯空间望远镜的观测数据，对SIMP 0136进行了研究。这是一颗此前曾与类似北极光现象相关的褐矮星。他们发现，其复杂的天气主要受两个因素控制：温度变化和云层的垂直结构。
这一发现为理解遥远世界的天气状况提供了一种新方法，并可能有助于天文学家研究太阳系之外的遥远行星。
NASA韦伯望远镜如何解码外星天气
为了研究SIMP 0136，研究人员使用一种名为主成分分析（PCA）的数学技术，对NASA詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）收集的观测数据进行了分析。
该技术通过识别庞杂数据集中最显著的模式，帮助科学家理解这些数据。在本研究中，团队考察了这颗褐矮星的光在其旋转时如何变化，寻找能够揭示其大气层内部情况的细微变化。
研究人员并没有从关于大气应如何表现的详细假设出发，而是让观测结果来揭示最重要的过程。该方法还有助于将真实的大气变化与测量中的微小波动和随机噪声区分开来。
韦伯望远镜极其灵敏的仪器使其成为可能，它能够探测到随着该天体大气层的不同部分旋转进入视野时，其亮度的极微小变化。
科学家在混乱的外星天气中发现隐藏的秩序
结果揭示了一些出人意料的情况。尽管SIMP 0136似乎拥有高度复杂的大气层，但其几乎所有被观测到的大气变化都可以仅用两个主要成分来解释，这与温度波动和云层垂直排列的变化相符。
更引人注目的是，研究人员识别出了三种反复出现的天气状态，它们随着这颗褐矮星的旋转而在视野中出现和消失。
这些状态共同构成了一个不断变化的大气拼图。一些区域温度较高且云层较薄，而另一些区域则温度较低，包含在垂直方向上延伸更远的较厚云层。
这些天气模式似乎并非以不可预测的方式不断变化，而是遵循着一种潜在的结构。
这些发表在《天文学与天体物理学》（Astronomy & Astrophysics）上的发现表明，SIMP 0136看似混乱的大气层实际上受一组惊人一致的过程所控制。
褐矮星处于行星和恒星之间的特殊位置。SIMP 0136比典型的气态巨行星更大、更热，但缺乏像恒星那样发光所需的质量。其大气层包含迅速演化的巨大云系，使其天气更像是一个极端版本的木星，而非地球上所经历的任何情况。
这些巨大的天气系统跨度可达行星级别，不断改变着这个遥远世界的面貌。
“我们还发现，即使大气的具体面貌在十多次旋转过程中不断演化，SIMP-0136上这些天气模式的驱动因素仍随时间保持不变，”三一学院物理学院博士生、第一作者Merle Schrader说。
“相对而言，SIMP 0136是我们较容易获取高质量数据的褐矮星之一。这些数据此前已通过传统方法进行了研究，这使我们能够将这项新技术得出的一些结果与我们对该天体已有的认知进行比较。该技术还帮助我们更好地了解了是什么驱动了这个遥远世界的天气，以及这些天气模式如何相互作用和共存，但或许更重要的是，它展示了如何进一步完善这种方法并将其应用于太空中其他不太知名的褐矮星。”
跨越20光年的非凡联系
对Schrader而言，这项研究还揭示了她与这个遥远天体之间一种非凡的个人联系。
SIMP 0136距离地球约20光年，这意味着它的光需要大约二十年才能到达我们这里。韦伯望远镜在2023年捕获的为本研究提供观测数据的光，实际上是在Schrader出生的那一年离开这颗褐矮星的。
“光以约300,000公里/秒的速度传播，但即使在这样的速度下，它也花了二十年才穿过JWST的镜头到达我们这里，”她说。
“考虑到光离开地球后只需一秒多一点就能到达月球，你就能体会到SIMP 0136有多远，以及天体物理学的进步有多么不可思议。我认为令人惊叹的是，尽管我们直接观测到的这些天体仅仅是散布在光谱上的单个像素，我们却能够从宇宙中我们这个舒适的小角落里，辨别出遥远世界的详细天气模式并绘制出它们之间的相互作用。”
这一成就突显了天文学家能够从看似微不足道的光量中提取多少信息。尽管在望远镜观测中，SIMP 0136看起来不过是一个单点，但其亮度在不同波长下的变化却能揭示其大气层的详细信息。
这一发现对遥远行星的意义
这项新技术的意义可能远远超出SIMP 0136本身。
褐矮星对于研究巨系外行星（即围绕太阳系外恒星运行的行星）的大气层具有特殊价值。由于褐矮星通常可以直接观测，它们为科学家提供了研究大气过程的机会，而这些过程在大多数系外行星上要难研究得多。
通过观测这些天体，研究人员可以测试云层如何形成、热量如何在大气中移动，以及大气环流在极端条件下如何表现。
三一学院团队开发的这项技术可以使这些研究变得高效得多。通过快速识别导致大部分观测到的大气变化的过程，天文学家可以更好地确定哪些特征值得使用更复杂的计算机模型进行更仔细的检查。
三一学院物理学院副教授Johanna Vos教授解释了这些发现的潜在意义。
“我们的发现将改变天文学家分析未来JWST观测数据的方式。由于我们的方法能快速识别大气的主要成分，它为我们在开始计算密集型建模之前提供了一个高效的初步步骤。
“将这项技术广泛应用于各种褐矮星和巨系外行星，将有助于我们更好地理解塑造太阳系外遥远世界的多样化天气系统。”
归根结底，了解遥远世界的天气不仅仅是识别云层和温度变化。大气行为可以提供有关行星化学成分、物理条件和整体环境的重要线索。
这些见解也与天文学最大的问题之一相关：太阳系外的哪些行星可能具备维持生命的条件？
通过揭示如何从微弱的光变化中理解复杂的外星大气，这种新方法可以帮助科学家在回答该问题的道路上更进一步。