Uklarheden af ​​exoplanetatmosfærer afhænger af egenskaberne af aerosolpartikler

Mange exoplaneter har uigennemsigtige atmosfærer, skjult af skyer eller dis, der gør det svært for astronomer at karakterisere deres kemiske sammensætning. En ny undersøgelse viser, at dispartikler produceret under forskellige forhold har en lang række egenskaber, der kan bestemme, hvor klar eller diset en planets atmosfære sandsynligvis vil være.

Fotokemiske reaktioner i atmosfæren på tempererede exoplaneter fører til dannelsen af ​​små organiske dispartikler. Store mængder af disse fotokemiske tåger dannes i Jordens atmosfære hver dag, alligevel har vores planet relativt klar himmel. Årsagen har at gøre med, hvor let dispartikler fjernes fra atmosfæren ved aflejringsprocesser.

"Det er ikke kun disproduktion, men også disfjernelse, der bestemmer, hvor klar atmosfæren er, " sagde Xinting Yu, en postdoc ved UC Santa Cruz og hovedforfatter af undersøgelsen, udgivet 12. juli i Natur astronomi .

Yu og hendes kolleger målte egenskaberne af dispartikler produceret i laboratoriet under forhold, der er repræsentative for exoplanetatmosfærer, herunder en række gassammensætninger, temperaturer, og energikilder. Medforfatter Xi Zhang, assisterende professor i jord- og planetvidenskab ved UC Santa Cruz, nævnte laboratorieeksperimenter som dette er essentielle for at forstå disdannelse og dens indvirkning på observationer.

"Vi kan ikke bringe dis-prøver tilbage fra exoplaneter, så vi er nødt til at prøve at efterligne de atmosfæriske forhold i laboratoriet, " han sagde.

Ifølge Yu, Fjernelse af dis afhænger af en kritisk materialeegenskab ved partiklerne kaldet overfladeenergi. "Overfladeenergi beskriver, hvor sammenhængende eller 'klæbrigt' materialet er, " hun sagde.

Sticky dis-partikler binder sig let til hinanden, når de kolliderer, vokser til større partikler, der falder ud af atmosfæren på planetens overflade (en proces kaldet tør aflejring). De danner også gode kondensationskerner til skydråber og fjernes let ved våd aflejring. Diser produceret på Jorden har typisk høj overfladeenergi og er derfor 'klæbrige' og effektivt fjernet fra atmosfæren.

Yus laboratorieeksperimenter viser, at disene produceret i exoplanetatmosfærer er meget forskellige, med egenskaber, der afhænger af de forhold, de produceres under.

"Nogle af dem ligner jordens dis, har høj overfladeenergi, og er nemme at fjerne, fører til klar himmel, " sagde hun. "Men nogle af dem har meget lav overfladeenergi, som en non-stick pande; de binder sig ikke særlig godt til andre partikler og forbliver som små partikler hængende i atmosfæren i lang tid."

Undersøgelsen fandt ud af, at en kritisk faktor er den temperatur, ved hvilken dispartiklerne dannes. Uklarheder produceret ved omkring 400 Kelvin (260°F) havde en tendens til at have den laveste overfladeenergi, fører til mindre effektiv fjernelse og mere uklare atmosfærer. Dette fund stemmer faktisk overens med observerede tendenser, Yu sagde, bemærker, at exoplaneter ved temperaturer på 400 til 500 K har tendens til at være de mest uklare.

Kølere planeter placeret i de beboelige zoner af deres værtsstjerner er mere tilbøjelige til at have klare atmosfærer, hun sagde. "Vi behøver måske ikke bekymre os om, at beboelige exoplaneter er for uklare til fremtidige observationer, da dis har tendens til at have højere overfladeenergier ved lavere temperaturer, " sagde Yu. "Så det er nemt at fjerne disse tåger, efterlader relativt klare atmosfærer."

Astronomer ser frem til at have et kraftfuldt værktøj til at karakterisere exoplanetatmosfærer med det kommende James Webb Space Telescope (JWST). Når en exoplanet passerer hen over sin stjernes overflade, dens atmosfære filtrerer lyset fra stjernen, at give astronomer med et følsomt nok teleskop (som JWST) mulighed for at identificere de kemiske komponenter i atmosfæren ved hjælp af transmissionsspektroskopi.

En diset atmosfære ville forstyrre transmissionsspektroskopi, men disene i sig selv kan stadig give værdifuld information, ifølge Zhang.

"Hazes er ikke karakteristiske, " sagde han. "Med bedre teleskoper, vi kan muligvis karakterisere sammensætningen af ​​exoplanetdis og forstå deres kemi. Men observationerne vil være meget svære at forklare uden data fra laboratorieforsøg. Denne undersøgelse har afsløret den enorme mangfoldighed af dispartikler, og forståelse af deres optiske egenskaber vil være en høj prioritet for fremtidige undersøgelser."