Holdet udfører første laboratoriesimulering af exoplanets atmosfærisk kemi

Forskere har udført de første laboratorieeksperimenter på disdannelse i simulerede exoplanetatmosfærer, et vigtigt skridt til at forstå kommende observationer af planeter uden for solsystemet med James Webb Space Telescope.

Simuleringerne er nødvendige for at etablere modeller af atmosfærerne i fjerne verdener, modeller, der kan bruges til at lede efter tegn på liv uden for solsystemet. Resultaterne af undersøgelserne dukkede op i denne uge i Natur astronomi .

"En af grundene til, at vi begynder at udføre dette arbejde, er at forstå, om det at have et tågelag på disse planeter ville gøre dem mere eller mindre beboelige, " sagde avisens hovedforfatter, Sarah Hørst, assisterende professor i jord- og planetvidenskab ved Johns Hopkins University.

Med teleskoper tilgængelige i dag, planetforskere og astronomer kan lære, hvilke gasser der udgør exoplaneternes atmosfærer. "Hver gas har et fingeraftryk, der er unikt for den, " sagde Hörst. "Hvis du måler et stort nok spektralområde, du kan se på, hvordan alle fingeraftrykkene er lagt oven på hinanden."

Nuværende teleskoper, imidlertid, fungerer ikke så godt med alle typer exoplaneter. De kommer til kort med exoplaneter, der har diset atmosfære. Haze består af faste partikler suspenderet i gas, ændre den måde, lyset interagerer med gassen. Denne dæmpning af spektrale fingeraftryk gør måling af gassammensætningen mere udfordrende.

Hörst mener, at denne forskning kan hjælpe exoplanetvidenskabssamfundet med at bestemme, hvilke typer atmosfærer der sandsynligvis vil være diset. Med dis, der forplumrer et teleskops evne til at fortælle videnskabsmænd, hvilke gasser der udgør en exoplanets atmosfære - hvis ikke mængderne af dem - er vores evne til at opdage liv andre steder en mere uklar udsigt.

Planeter større end Jorden og mindre end Neptun, kaldet super-jord og mini-Neptun, er de fremherskende typer af exoplaneter, eller planeter uden for vores solsystem. Da denne klasse af planeter ikke findes i vores solsystem, vores begrænsede viden gør dem sværere at studere.

Med den kommende opsendelse af James Webb-rumteleskopet, forskere håber at være i stand til at undersøge disse exoplaneters atmosfærer mere detaljeret. JWST vil være i stand til at se endnu længere tilbage i tiden end Hubble med et lysindsamlingsområde omkring 6,25 gange større. I kredsløb om solen en million miles fra Jorden, JWST vil hjælpe forskere med at måle sammensætningen af ​​ekstrasolare planetatmosfærer og endda søge efter livets byggesten.

"En del af det, vi forsøger at hjælpe folk med at finde ud af, er dybest set, hvor du gerne vil se hen, " sagde Hörst om fremtidige anvendelser af James Webb Space Telescope.

I betragtning af at vores solsystem ikke har nogen superjord eller mini-Neptun til sammenligning, videnskabsmænd har ikke "grundsandheder" for disse exoplaneters atmosfærer. Brug af computermodeller, Hörsts team var i stand til at sammensætte en række atmosfæriske kompositioner, der modellerer super-Earths eller mini-Neptunes. Ved at variere niveauerne af tre dominerende gasser (kuldioxid, brint, gasformigt vand), fire andre gasser (helium, carbonmonoxid, metan, nitrogen) og tre sæt temperaturer, de samlede ni forskellige "planeter".

Computermodelleringen foreslog forskellige procenter af gasser, som forskerne blandede i et kammer og opvarmede. Over tre dage, den opvarmede blanding strømmede gennem en plasmaudledning, et setup, der igangsatte kemiske reaktioner inde i kammeret.

"Energien nedbryder de gasmolekyler, som vi starter med. De reagerer med hinanden og laver nye ting, og nogle gange vil de lave en fast partikel [skaber dis], og nogle gange vil de ikke, sagde Hörst.

"Det grundlæggende spørgsmål til dette papir var:Hvilken af ​​disse gasblandinger - hvilken af ​​disse atmosfærer - vil vi forvente at være diset?" sagde Hörst.

Forskerne fandt ud af, at alle ni varianter lavede uklarhed i varierende mængder. Overraskelsen lå i, hvilke kombinationer der gjorde mere. Holdet fandt flest dispartikler i to af de vanddominerende atmosfærer. "Vi havde i lang tid denne idé om, at metankemi var den eneste sande vej til at lave en tåge, og vi ved, at det ikke er sandt nu, sagde Hörst, refererer til forbindelser, der er rigelige i både brint og kulstof.

Desuden, forskerne fandt forskelle i partiklernes farver, hvilket kan påvirke, hvor meget varme der er fanget af disen. "At have et tågelag kan ændre temperaturstrukturen i en atmosfære, " sagde Hörst. "Det kan forhindre virkelig energiske fotoner i at nå en overflade."

Ligesom ozonlaget, der nu beskytter livet på Jorden mod skadelig stråling, videnskabsmænd har spekuleret i, at et primitivt tågelag kan have skærmet livet i begyndelsen. Dette kunne være meningsfuldt i vores søgen efter ydre liv.

For Hörsts gruppe, de næste trin involverer at analysere de forskellige uklarheder for at se, hvordan farven og størrelsen af ​​partiklerne påvirker, hvordan partiklerne interagerer med lys. De planlægger også at prøve andre kompositioner, temperaturer, energikilder og undersøge sammensætningen af ​​den producerede dis.

"Produktionshastighederne var de meget, allerførste trin i, hvad der bliver en lang proces i forsøget på at finde ud af, hvilke atmosfærer der er diset, og hvad virkningen af ​​dispartiklerne er, sagde Hörst.