Bagte meteoritter giver spor til planetariske atmosfærer

I en ny laboratorieundersøgelse af de første atmosfærer af jordlignende klippeplaneter, forskere ved UC Santa Cruz opvarmede uberørte meteoritprøver i en højtemperaturovn og analyserede de frigivne gasser.

Deres resultater, udgivet 15. april i Natur astronomi , tyder på, at de oprindelige atmosfærer af jordiske planeter kan afvige væsentligt fra mange af de almindelige antagelser, der bruges i teoretiske modeller af planetariske atmosfærer.

"Denne information vil være vigtig, når vi begynder at kunne observere exoplanetatmosfærer med nye teleskoper og avanceret instrumentering, " sagde førsteforfatter Maggie Thompson, en kandidatstuderende i astronomi og astrofysik ved UC Santa Cruz.

De tidlige atmosfærer af klippeplaneter menes for det meste at dannes af gasser frigivet fra planetens overflade som et resultat af den intense opvarmning under tilvæksten af ​​planetariske byggesten og senere vulkansk aktivitet tidligt i planetens udvikling.

"Når byggestenene på en planet samles, materialet opvarmes, og der dannes gasser, og hvis planeten er stor nok, vil gasserne blive tilbageholdt som en atmosfære, " forklarede medforfatter Myriam Telus, assisterende professor i jord- og planetariske videnskaber ved UC Santa Cruz. "Vi forsøger i laboratoriet at simulere denne meget tidlige proces, når en planets atmosfære dannes, så vi kan sætte nogle eksperimentelle begrænsninger på den historie."

Forskerne analyserede tre meteoritter af en type kendt som CM-type kulholdige kondritter, som har en sammensætning, der anses for at være repræsentativ for det materiale, hvorfra solen og planeterne er dannet.

"Disse meteoritter er tilovers materialer fra byggestenene, der gik ind i at danne planeterne i vores solsystem, Thompson sagde. "Kondritter er forskellige fra andre typer meteoritter ved, at de ikke blev varme nok til at smelte, så de har holdt fast i nogle af de mere primitive komponenter, der kan fortælle os om sammensætningen af ​​solsystemet omkring tidspunktet for planetdannelsen."

Arbejde med materialeforskere i fysikafdelingen, forskerne opstillede en ovn forbundet med et massespektrometer og et vakuumsystem. Da meteoritprøverne blev opvarmet til 1200 grader Celsius, systemet analyserede de flygtige gasser produceret fra mineralerne i prøven. Vanddamp var den dominerende gas, med betydelige mængder kulilte og kuldioxid, og mindre mængder af hydrogen- og svovlbrintegasser frigives også.

Ifølge Telus, modeller af planetariske atmosfærer antager ofte soloverflod - dvs. en sammensætning svarende til solen og derfor domineret af brint og helium.

"Baseret på udgasning fra meteoritter, imidlertid, du ville forvente, at vanddamp er den dominerende gas, efterfulgt af kulilte og kuldioxid, " sagde hun. "At bruge solenergi er fint for store, Planeter på størrelse med Jupiter, der får deres atmosfære fra soltågen, men mindre planeter menes at få deres atmosfære mere fra udgasning."

Forskerne sammenlignede deres resultater med forudsigelserne fra kemiske ligevægtsmodeller baseret på meteoritternes sammensætning. "Kvalitativt, vi får nogenlunde lignende resultater, som de kemiske ligevægtsmodeller forudsiger bør udgasses, men der er også nogle forskelle, " sagde Thompson. "Du har brug for eksperimenter for at se, hvad der rent faktisk sker i praksis. Vi ønsker at gøre dette for en bred vifte af meteoritter for at give bedre begrænsninger for de teoretiske modeller af exoplanetariske atmosfærer."

Andre forskere har lavet opvarmningseksperimenter med meteoritter, men disse undersøgelser var til andre formål og brugte andre metoder. "Mange mennesker er interesserede i, hvad der sker, når meteoritter kommer ind i Jordens atmosfære, så den slags undersøgelser blev ikke lavet med denne ramme i tankerne for at forstå udgasning, " sagde Thompson.

De tre meteoritter, der blev analyseret til denne undersøgelse, var Murchison-kondritten, som faldt i Australien i 1969; Jbilet Winselwan, indsamlet i Vestsahara i 2013; og Aguas Zarcas, som faldt i Costa Rica i 2019.

"Det kan virke vilkårligt at bruge meteoritter fra vores solsystem til at forstå exoplaneter omkring andre stjerner, men undersøgelser af andre stjerner viser, at denne type materiale faktisk er ret almindelig omkring andre stjerner, " bemærkede Telus.