NASA: s forskare om Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, Kalifornien, "lagar" den utomjordiska atmosfären här på jorden. I en ny studie använde forskare av JPL en "ugn" med hög temperatur för att värma en blandning av väte och kolmonoxid till mer än 1 100 ° C (2000 ° F), vilket är lika med temperaturen på smält lava. Syftet var att simulera förhållanden som kan hittas i atmosfären i en speciell typ av exoplanet (planeter utanför vårt solsystem), kallad "heta Jupiters".

Jupiter = rymdjättar

Hot Jupitors är gasjättar som kretsar, till skillnad från planeten i vårt solsystem, mycket nära deras förälderstjärna. Medan jorden omger Sun 365-dagarna, cirklar de heta Jupitors runt sina stjärnor under mindre än 10-dagar. Detta korta avstånd från stjärnor betyder att deras temperaturer kan nå 530 till 2 800 ° C (1 000 till 5 000 ° F) eller ännu mer. Som jämförelse når en varm dag på kvicksilverytan (som kretsar solen i 88 dagar) en temperatur på omkring 430 ° C (800 ° F).

Chief Scientist JPL Murthy Gudipati, ledare för gruppen som genomförde en ny studie förra månaden i Astrophysical Journal, säger:

"Exakt laboratoriesimulering av den hårda miljön på dessa exoplaneter är inte möjlig, men vi kan imitera den mycket noggrant."

Teamet började med en enkel kemisk blandning av mestadels vätgas och 0,3 kolmonoxidgas. Dessa molekyler är mycket vanliga i universum och tidiga solsystem, och därför logiskt kan de skapa atmosfären av het Jupiter. Blandningen upphettades därefter till 330 till 1 230 ° C (620 till 2 240 ° F).

Forskare har också exponerat denna laboratorieblandning för höga doser av ultraviolett strålning - som liknar vad som kan påverka den heta Jupiter som kretsar sin förälderstjärna. UV-ljus har visat sig vara en aktiv ingrediens. Hans handlingar har till stor del bidragit till överraskande resultat av en studie om kemiska fenomen som kan äga rum i heta atmosfärer.

Hot Jupiter

Hot Jupiters anses vara stora planeter och utstrålar mer ljus än svalare planeter. Dessa faktorer har gjort det möjligt för astronomer att lära sig mer om sin atmosfär än de flesta andra typer av exoplaneter. Observationer har visat att många Jupiter-atmosfärer är ogenomskinliga vid höga höjder. Även om opacitet delvis kan motiveras av moln, förlorar denna teori marken med minskande tryck. Faktum är att opaciteten har observerats där atmosfärstrycket är mycket lågt.

Den lilla safirskivan i rätt figur visar organiska aerosoler bildade inuti högtemperaturugnen. Vänster disk används inte. Bildkälla: NASA / JPL-Caltech

Så forskare letade efter en annan möjlig förklaring, och en av dem kunde vara aerosoler - fasta partiklar som ingår i atmosfären. Men, enligt JPL-forskare, visste inte forskare hur aerosoler kunde bildas i Jupiters heta atmosfär. Det var bara i ett nytt experiment att den heta kemiska blandningen utsattes för UV-strålning.

Benjamin Fleury, forskare och ledare för JPL

”Detta resultat förändrar hur vi tolkar Jupiters dimmiga, heta atmosfär. I framtiden vill vi studera egenskaperna hos dessa aerosoler. Vi vill bättre förstå hur de bildas, hur de absorberar ljus och hur de reagerar på förändringar i miljön. All denna information kan hjälpa astronomer att förstå vad de ser när de tittar på dessa planeter. "

Vattenånga hittades

Studien gav också en annan överraskning: kemiska reaktioner producerade stora mängder koldioxid och vatten. Vattenånga hittades i Jupiters heta atmosfär, medan forskare förväntade sig att denna sällsynta molekyl endast skulle produceras när mer syre än kol var närvarande. En ny studie har visat att vatten kan bildas även när kol och syre är närvarande i samma förhållande. (Kolmonoxid innehåller en kolatom och en syreatom.) Medan koldioxid (en kolatom och två syreatomer) producerades utan ytterligare UV-strålning, accelererade reaktionerna med tillsats av simulerat stjärnljus.

Mark Swain, en exoplanetforskare vid JPL, och medförfattare av studien säger:

”Dessa nya resultat är omedelbart tillämpliga på tolkningen av det vi ser i Jupiters heta atmosfär. Vi antog att i dessa atmosfärer påverkades kemiska reaktioner mest av temperaturen, men det verkar nu som att strålningens roll måste ses. ”

Med nästa generations enheter som James Webb Space Telescope på NASA, lanserad för lansering i 2021, kunde forskare skapa de första detaljerade kemiska profilerna av exoplanetiska atmosfärer. Och det är möjligt att en av de första kommer att vara bara de runt den heta Jupiter. Dessa studier kommer att hjälpa forskare att förstå hur andra solsystem är formade och hur lika eller olika de är för vårt.

För JPL-forskare har arbetet just börjat. Till skillnad från en typisk ugn är den hermetiskt förseglad för att förhindra gasläckage eller förorening, vilket gör det möjligt för forskare att kontrollera sitt tryck med ökande temperatur. Med denna utrustning kan de nu simulera exoplanetiska atmosfärer vid ännu högre temperaturer upp till 1600 ° C (3000 ° F).

Bryana Henderson, medförfattare av en JPL-studie

”Det är en ständig utmaning att framgångsrikt utforma och använda detta system. De flesta standardkomponenter, t.ex. glas eller aluminium, smälter vid så höga temperaturer. Vi lär oss ständigt att driva gränser och samtidigt säkert simulera dessa kemiska processer i laboratoriet. Men till slut är de spännande resultaten som experiment ger oss värda allt extra arbete och ansträngning. ”