Vand er almindeligt – men alligevel knap – i exoplaneter

Den hidtil mest omfattende undersøgelse af atmosfæriske kemiske sammensætninger af exoplaneter har afsløret tendenser, der udfordrer nuværende teorier om planetdannelse og har konsekvenser for søgningen efter vand i solsystemet og videre.

Et team af forskere, ledet af University of Cambridge, brugte atmosfæriske data fra 19 exoplaneter til at opnå detaljerede målinger af deres kemiske og termiske egenskaber. Exoplaneterne i undersøgelsen spænder over et stort område i størrelse - fra 'mini-Neptunes' på næsten 10 jordmasser til 'super-Jupiters' på over 600 jordmasser - og temperatur, fra næsten 20C til over 2000C. Ligesom de gigantiske planeter i vores solsystem, deres atmosfærer er rig på brint, men de kredser om forskellige typer stjerner.

Forskerne fandt ud af, at mens vanddamp er almindelig i atmosfæren på mange exoplaneter, beløbene var overraskende lavere end forventet, mens mængden af ​​andre grundstoffer fundet i nogle planeter var i overensstemmelse med forventningerne. Resultaterne, som er en del af et femårigt forskningsprogram om den kemiske sammensætning af planetariske atmosfærer uden for vores solsystem, er rapporteret i Astrofysiske tidsskriftsbreve .

"Vi ser de første tegn på kemiske mønstre i udenjordiske verdener, og vi ser, hvor forskellige de kan være med hensyn til deres kemiske sammensætning, " sagde projektleder Dr. Nikku Madhusudhan fra Institute of Astronomy i Cambridge, som første gang målte lav vanddampforekomst i gigantiske exoplaneter for fem år siden.

I vores solsystem, mængden af ​​kulstof i forhold til brint i atmosfæren på kæmpeplaneter er væsentligt højere end solens. Denne 'super-solar' overflod menes at være opstået, da planeterne blev dannet, og store mængder is, sten og andre partikler blev bragt ind i planeten i en proces kaldet tilvækst.

Forekomsten af ​​andre grundstoffer er blevet forudsagt at være tilsvarende høj i atmosfæren af ​​gigantiske exoplaneter - især oxygen, som er det mest udbredte grundstof i universet efter brint og helium. Det betyder, at vand, en dominerende bærer af ilt, forventes også at være for mange i sådanne atmosfærer.

Forskerne brugte omfattende spektroskopiske data fra rumbaserede og jordbaserede teleskoper, inklusive Hubble-rumteleskopet, Spitzer-rumteleskopet, Very Large Telescope i Chile og Gran Telescopio Canarias i Spanien. Rækken af ​​tilgængelige observationer, sammen med detaljerede beregningsmodeller, statistiske metoder, og atomare egenskaber af natrium og kalium, gjorde det muligt for forskerne at opnå estimater af de kemiske mængder i exoplanetatmosfærerne på tværs af prøven.

Holdet rapporterede overfloden af ​​vanddamp i 14 af de 19 planeter, og overfloden af ​​natrium og kalium på seks planeter hver. Deres resultater tyder på en udtømning af ilt i forhold til andre grundstoffer og giver kemiske fingerpeg om, hvordan disse exoplaneter kan være dannet uden væsentlig ophobning af is.

"Det er utroligt at se så lave vandmængder i atmosfæren på en bred vifte af planeter, der kredser om en række forskellige stjerner, sagde Madhusudhan.

"At måle mængden af ​​disse kemikalier i exoplanetariske atmosfærer er noget ekstraordinært, i betragtning af, at vi ikke har været i stand til at gøre det samme for gigantiske planeter i vores solsystem endnu, inklusive Jupiter, vores nærmeste gasgigant-nabo, " sagde Luis Welbanks, hovedforfatter på undersøgelsen og ph.d. studerende ved Institut for Astronomi.

Forskellige bestræbelser på at måle vand i Jupiters atmosfære, inklusive NASAs nuværende Juno-mission, har vist sig udfordrende. "Since Jupiter is so cold, any water vapour in its atmosphere would be condensed, making it difficult to measure, " said Welbanks. "If the water abundance in Jupiter were found to be plentiful as predicted, it would imply that it formed in a different way to the exoplanets we looked at in the current study."

"We look forward to increasing the size of our planet sample in future studies, " said Madhusudhan. "Inevitably, we expect to find outliers to the current trends as well as measurements of other chemicals."

These results show that different chemical elements can no longer be assumed to be equally abundant in planetary atmospheres, challenging assumptions in several theoretical models.

"Given that water is a key ingredient to our notion of habitability on Earth, it is important to know how much water can be found in planetary systems beyond our own, " said Madhusudhan.