Onderzoekers van NASA's Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, Californië, creëren een buitenaardse atmosfeer hier op aarde. In een nieuwe studie, JPL-wetenschappers gebruikten een "oven" op hoge temperatuur om een ​​mengsel van waterstof en koolmonoxide te verwarmen tot meer dan 2, 000 graden Fahrenheit (1, 100 Celsius), ongeveer de temperatuur van gesmolten lava. Het doel was om omstandigheden te simuleren die zouden kunnen worden aangetroffen in de atmosferen van een speciale klasse van exoplaneten (planeten buiten ons zonnestelsel), die 'hete Jupiters' worden genoemd.

Hete Jupiters zijn gasreuzen die heel dicht bij hun moederster draaien, in tegenstelling tot alle andere planeten in ons zonnestelsel. Terwijl de aarde 365 dagen nodig heeft om om de zon te draaien, hete Jupiters draaien in minder dan 10 dagen om hun sterren. Hun nabijheid tot een ster betekent dat hun temperaturen kunnen variëren van 1, 000 tot 5, 000 graden Fahrenheit (530 tot 2, 800 graden Celsius) of zelfs heter. Ter vergelijking, een warme dag op het oppervlak van Mercurius (die 88 dagen nodig heeft om om de zon te draaien) bereikt ongeveer 430 graden Celsius.

"Hoewel het onmogelijk is om in het laboratorium deze harde exoplaneetomgevingen precies te simuleren, we kunnen heel dichtbij komen, " zei JPL-hoofdwetenschapper Murthy Gudipati, wie leidt de groep die de nieuwe studie heeft uitgevoerd, vorige maand gepubliceerd in de Astrofysisch tijdschrift .

Het team begon met een eenvoudig chemisch mengsel van voornamelijk waterstofgas en 0,3 procent koolmonoxidegas. Deze moleculen komen zeer veel voor in het heelal en in vroege zonnestelsels, en ze konden redelijkerwijs de atmosfeer van een hete Jupiter samenstellen. Vervolgens verwarmde het team het mengsel tot tussen de 620 en 2, 240 graden Fahrenheit (330 en 1, 230 Celsius).

Het team stelde het laboratoriumbrouwsel ook bloot aan een hoge dosis ultraviolette straling - vergelijkbaar met wat een hete Jupiter zou ervaren als hij zo dicht bij zijn moederster zou cirkelen. Het UV-licht bleek een krachtig ingrediënt te zijn. Het was grotendeels verantwoordelijk voor enkele van de meer verrassende resultaten van het onderzoek over de chemie die zou kunnen plaatsvinden in deze geroosterde atmosfeer.

Hete Jupiters zijn groot volgens planeetnormen, en ze stralen meer licht uit dan koelere planeten. Dergelijke factoren hebben astronomen in staat gesteld meer informatie over hun atmosferen te verzamelen dan de meeste andere soorten exoplaneten. Die waarnemingen laten zien dat veel hete Jupiter-atmosferen op grote hoogte ondoorzichtig zijn. Hoewel wolken de ondoorzichtigheid kunnen verklaren, ze worden steeds minder duurzaam naarmate de druk afneemt, en de opaciteit is waargenomen waar de atmosferische druk erg laag is.

Wetenschappers hebben gezocht naar andere mogelijke verklaringen dan wolken, en aerosolen - vaste deeltjes die in de atmosfeer zweven - zouden er een kunnen zijn. Echter, volgens de JPL-onderzoekers, wetenschappers waren voorheen niet op de hoogte van hoe aërosolen zich zouden kunnen ontwikkelen in hete Jupiter-atmosferen. In het nieuwe experiment het toevoegen van UV-licht aan de hete chemische mix deed de truc.

"Dit resultaat verandert de manier waarop we die wazige hete Jupiter-atmosferen interpreteren, " zei Benjamin Fleury, een JPL-onderzoeker en hoofdauteur van de studie. "Vooruit gaan, we willen de eigenschappen van deze aerosolen bestuderen. We willen beter begrijpen hoe ze ontstaan, hoe ze licht absorberen en hoe ze reageren op veranderingen in de omgeving. Al die informatie kan astronomen helpen begrijpen wat ze zien als ze deze planeten observeren."

De studie leverde nog een verrassing op:de chemische reacties produceerden aanzienlijke hoeveelheden koolstofdioxide en water. Terwijl waterdamp is gevonden in hete Jupiter-atmosferen, wetenschappers verwachten voor het grootste deel dat dit kostbare molecuul alleen wordt gevormd als er meer zuurstof dan koolstof is. De nieuwe studie toont aan dat water kan ontstaan ​​wanneer koolstof en zuurstof in gelijke hoeveelheden aanwezig zijn. (Koolmonoxide bevat één koolstofatoom en één zuurstofatoom.) En terwijl wat koolstofdioxide (één koolstof- en twee zuurstofatomen) gevormd werd zonder de toevoeging van UV-straling, de reacties versnelden met de toevoeging van gesimuleerd sterrenlicht.

"Deze nieuwe resultaten zijn onmiddellijk nuttig voor het interpreteren van wat we zien in hete Jupiter-atmosferen, " zei JPL exoplaneet wetenschapper Mark Swain, een studie co-auteur. "We zijn ervan uitgegaan dat temperatuur de chemie in deze atmosferen domineert, maar dit laat zien dat we moeten kijken naar hoe straling een rol speelt."

Met tools van de volgende generatie, zoals NASA's James Webb Space Telescope, gepland voor lancering in 2021, wetenschappers zouden de eerste gedetailleerde chemische profielen van exoplaneetatmosferen kunnen produceren, en het is mogelijk dat sommige van die eerste onderwerpen hete Jupiters zijn. Deze studies zullen wetenschappers helpen te leren hoe andere zonnestelsels zich vormen en hoe vergelijkbaar of verschillend ze zijn met de onze.

Voor de JPL-onderzoekers, het werk is net begonnen. In tegenstelling tot een typische oven, die van hen sluit het gas stevig af om lekken of verontreiniging te voorkomen, en het stelt de onderzoekers in staat om de druk van het gas te regelen als de temperatuur stijgt. Met deze hardware ze kunnen nu exoplaneetatmosferen simuleren bij nog hogere temperaturen:bijna 3, 000 graden Fahrenheit (1, 600 graden Celsius).

"Het was een voortdurende uitdaging om uit te zoeken hoe dit systeem succesvol kon worden ontworpen en bediend, aangezien de meeste standaardcomponenten zoals glas of aluminium bij deze temperaturen smelten, " zei JPL-onderzoekswetenschapper Bryana Henderson, een co-auteur van de studie. "We leren nog steeds hoe we deze grenzen kunnen verleggen terwijl we deze chemische processen in het laboratorium veilig hanteren. Maar aan het eind van de dag, de opwindende resultaten die uit deze experimenten voortkomen, zijn alle extra inspanningen waard."