Tilberede fremmede atmosfærer på Jorden

Forskere ved NASA's Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, Californien, laver en fremmed atmosfære op lige her på Jorden. I en ny undersøgelse, JPL-forskere brugte en højtemperatur-"ovn" til at opvarme en blanding af brint og kulilte til mere end 2, 000 grader Fahrenheit (1, 100 Celsius), om temperaturen af ​​smeltet lava. Målet var at simulere forhold, der kunne findes i atmosfæren af ​​en særlig klasse af exoplaneter (planeter uden for vores solsystem) kaldet "varme Jupitere".

Hot Jupiters er gasgiganter, der kredser meget tæt på deres moderstjerne, i modsætning til nogen af ​​planeterne i vores solsystem. Mens Jorden tager 365 dage at kredse om Solen, varme Jupiters kredser om deres stjerner på mindre end 10 dage. Deres nærhed til en stjerne betyder, at deres temperaturer kan variere fra 1, 000 til 5, 000 grader Fahrenheit (530 til 2, 800 grader Celsius) eller endnu varmere. Til sammenligning, en varm dag på Merkurs overflade (som tager 88 dage at kredse om Solen) når omkring 800 grader Fahrenheit (430 grader Celsius).

"Selvom det er umuligt nøjagtigt at simulere disse barske exoplanetmiljøer i laboratoriet, vi kan komme meget tæt på, " sagde JPLs ledende videnskabsmand Murthy Gudipati, hvem leder gruppen, der udførte den nye undersøgelse, offentliggjort i sidste måned i Astrofysisk tidsskrift .

Holdet startede med en simpel kemisk blanding af hovedsagelig brintgas og 0,3 procent kuliltegas. Disse molekyler er ekstremt almindelige i universet og i tidlige solsystemer, og de kunne med rimelighed sammensætte atmosfæren af ​​en varm Jupiter. Derefter opvarmede holdet blandingen til mellem 620 og 2, 240 grader Fahrenheit (330 og 1, 230 Celsius).

Holdet udsatte også laboratoriebrygget for en høj dosis ultraviolet stråling - svarende til hvad en varm Jupiter ville opleve at kredse så tæt på sin moderstjerne. UV-lyset viste sig at være en potent ingrediens. Det var i høj grad ansvarlig for nogle af undersøgelsens mere overraskende resultater om den kemi, der kan finde sted i disse toasty atmosfærer.

Hot Jupiters er store efter planetstandarder, og de udstråler mere lys end køligere planeter. Sådanne faktorer har gjort det muligt for astronomer at indsamle mere information om deres atmosfærer end de fleste andre typer exoplaneter. Disse observationer afslører, at mange varme Jupiter-atmosfærer er uigennemsigtige i store højder. Selvom skyer kan forklare opaciteten, de bliver mindre og mindre bæredygtige, efterhånden som presset aftager, og opaciteten er blevet observeret, hvor det atmosfæriske tryk er meget lavt.

Forskere har ledt efter andre mulige forklaringer end skyer, og aerosoler - faste partikler suspenderet i atmosfæren - kunne være en. Imidlertid, ifølge JPL-forskerne, videnskabsmænd var tidligere uvidende om, hvordan aerosoler kunne udvikle sig i varme Jupiter-atmosfærer. I det nye eksperiment, tilføjelse af UV-lys til den varme kemikalieblanding gjorde tricket.

"Dette resultat ændrer måden, vi fortolker de diset varme Jupiter-atmosfære på, " sagde Benjamin Fleury, en JPL-forsker og hovedforfatter af undersøgelsen. "Fremadrettet, vi ønsker at studere egenskaberne af disse aerosoler. Vi ønsker bedre at forstå, hvordan de dannes, hvordan de absorberer lys, og hvordan de reagerer på ændringer i miljøet. Al den information kan hjælpe astronomer med at forstå, hvad de ser, når de observerer disse planeter."

Undersøgelsen gav endnu en overraskelse:De kemiske reaktioner producerede betydelige mængder kuldioxid og vand. Mens vanddamp er blevet fundet i varme Jupiter-atmosfærer, videnskabsmænd forventer for det meste, at dette dyrebare molekyle kun dannes, når der er mere ilt end kulstof. Den nye undersøgelse viser, at der kan dannes vand, når kulstof og ilt er til stede i lige store mængder. (Carbonmonoxid indeholder et carbonatom og et oxygenatom.) Og mens noget kuldioxid (et kulstof og to oxygenatomer) blev dannet uden tilsætning af UV-stråling, reaktionerne accelererede med tilsætning af simuleret stjernelys.

"Disse nye resultater er umiddelbart nyttige til at fortolke, hvad vi ser i varme Jupiter-atmosfærer, " sagde JPL exoplanet videnskabsmand Mark Swain, en studiemedforfatter. "Vi har antaget, at temperaturen dominerer kemien i disse atmosfærer, men dette viser, at vi er nødt til at se på, hvordan stråling spiller en rolle."

Med næste generations værktøjer som NASAs James Webb Space Telescope, skal lanceres i 2021, forskere kan producere de første detaljerede kemiske profiler af exoplanetatmosfærer, og det er muligt, at nogle af de første emner vil være hotte Jupiters. Disse undersøgelser vil hjælpe videnskabsmænd med at lære, hvordan andre solsystemer dannes, og hvor ens eller forskellige de er til vores egne.

For JPL-forskerne, arbejdet er lige begyndt. I modsætning til en typisk ovn, deres forsegler gassen tæt for at forhindre lækager eller forurening, og det giver forskerne mulighed for at styre trykket af gassen, når temperaturen stiger. Med denne hardware, de kan nu simulere exoplanetatmosfærer ved endnu højere temperaturer:tæt på 3, 000 grader Fahrenheit (1, 600 grader Celsius).

"Det har været en vedvarende udfordring at finde ud af, hvordan man kan designe og betjene dette system med succes, da de fleste standardkomponenter såsom glas eller aluminium smelter ved disse temperaturer, " sagde JPL-forsker Bryana Henderson, medforfatter til undersøgelsen. "Vi er stadig ved at lære, hvordan vi flytter disse grænser, mens vi håndterer disse kemiske processer sikkert i laboratoriet. Men i slutningen af ​​dagen, de spændende resultater, der kommer ud af disse eksperimenter, er al den ekstra indsats værd."