Reuzenplaneten in ons zonnestelsel en rond andere sterren cirkelen hebben exotische wolken zoals niets op aarde, en de gasreuzen die dicht bij hun sterren cirkelen - de zogenaamde hete Jupiters - hebben het meest extreme.

Een team van astronomen uit de Verenigde Staten, Canada en het Verenigd Koninkrijk hebben nu een model bedacht dat voorspelt welke van de vele soorten voorgestelde wolken, van saffier tot smogige methaannevel, te verwachten op hete Jupiters met verschillende temperaturen, tot duizenden graden Kelvin.

Verrassend genoeg, het meest voorkomende type wolk, verwacht over een groot temperatuurbereik, moet bestaan ​​uit vloeibare of vaste druppeltjes silicium en zuurstof, zoals gesmolten kwarts of gesmolten zand. Op koelere hete Jupiters, onder ongeveer 950 Kelvin (1, 250 graden Fahrenheit), luchten worden gedomineerd door een koolwaterstofnevel, in wezen smog.

Het model zal astronomen helpen bij het bestuderen van de gassen in de atmosfeer van deze vreemde en verre werelden, omdat wolken interfereren met metingen van de atmosferische samenstelling. Het kan planetaire wetenschappers ook helpen de atmosferen van koelere reuzenplaneten en hun manen te begrijpen, zoals Jupiter en Saturnusmaan Titan in ons eigen zonnestelsel.

"Het soort wolken dat in deze hete atmosferen kan bestaan, zijn dingen die we niet echt zien als wolken in het zonnestelsel, " zei Peter Gao, een postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Californië, Berkeley, wie is de eerste auteur van een paper waarin het model wordt beschreven dat op 25 mei in het tijdschrift verscheen? Natuurastronomie . "Er zijn modellen geweest die verschillende composities voorspellen, maar het doel van deze studie was om te beoordelen welke van deze composities er echt toe doen en het model te vergelijken met de beschikbare gegevens die we hebben."

De studie maakt gebruik van een hausse in het afgelopen decennium in de studie van exoplaneetatmosferen. Hoewel exoplaneten te ver en te zwak zijn om zichtbaar te zijn, veel telescopen, in het bijzonder de Hubble-ruimtetelescoop - kunnen zich op sterren concentreren en sterlicht vangen dat door de atmosferen van planeten gaat terwijl ze voor hun sterren passeren. De golflengten van licht die worden geabsorbeerd, onthuld door spectroscopische metingen, vertel astronomen uit welke elementen de atmosfeer bestaat. Daten, deze techniek en anderen hebben de aanwezigheid van water gevonden of afgeleid, methaan, koolmonoxide en kooldioxide, kalium- en natriumgassen en, op de heetste planeten, verdampt aluminiumoxide, ijzer en titaan.

Maar hoewel sommige planeten heldere atmosferen en duidelijke spectroscopische kenmerken lijken te hebben, velen hebben wolken die het sterlicht dat er doorheen filtert volledig blokkeren, het voorkomen van de studie van gassen onder de bovenste wolkenlagen. De samenstelling van de gassen kan astronomen vertellen hoe exoplaneten ontstaan ​​en of de bouwstenen van het leven rond andere sterren aanwezig zijn.

"We hebben veel wolken gevonden:sommige soorten deeltjes - geen moleculen, maar kleine druppeltjes - die in deze atmosferen rondhangen, " zei Gao. "We weten niet echt waar ze van gemaakt zijn, maar ze besmetten onze waarnemingen, waardoor het voor ons in wezen moeilijker wordt om de samenstelling en abundanties van belangrijke moleculen te beoordelen, zoals water en methaan."

Robijnrode wolken

Om deze waarnemingen te verklaren, astronomen hebben veel vreemde soorten wolken voorgesteld, samengesteld uit aluminiumoxiden, zoals korund, het spul van robijnen en saffieren; gesmolten zout, zoals kaliumchloride; siliciumoxiden, of silicaten, zoals kwarts, het hoofdbestanddeel van zand; sulfiden van mangaan of zink die als gesteente op aarde voorkomen; en organische koolwaterstofverbindingen. De wolken kunnen vloeibare of vaste aerosolen zijn, zei Gao.

Gao paste computermodellen aan die aanvankelijk waren gemaakt voor de waterwolken van de aarde en vervolgens werden uitgebreid naar de bewolkte atmosferen van planeten zoals Jupiter, met ammoniak- en methaanwolken. Hij breidde het model nog verder uit tot de veel hogere temperaturen die worden waargenomen op reuzenplaneten met heet gas - tot 2, 800 Kelvin, of 4, 600 graden Fahrenheit (2, 500 graden Celsius) - en de elementen die bij deze temperaturen waarschijnlijk tot wolken condenseren.

Het model houdt rekening met hoe gassen van verschillende atomen of moleculen condenseren tot druppeltjes, hoe deze druppeltjes groeien of verdampen en of ze waarschijnlijk door wind of opwaartse stroming in de atmosfeer worden getransporteerd, of zinken door de zwaartekracht.

"Het idee is dat dezelfde fysieke principes de vorming van alle soorten wolken leiden, " zei Gao, die ook zwavelzuurwolken op Venus heeft gemodelleerd. "Wat ik heb gedaan is dit model te nemen en naar de rest van de melkweg te brengen, waardoor het in staat is silicaatwolken en ijzerwolken en zoutwolken te simuleren."

Vervolgens vergeleek hij zijn voorspellingen met beschikbare gegevens over 30 exoplaneten op een totaal van ongeveer 70 transiterende exoplaneten met tot nu toe geregistreerde transmissiespectra.

Het model onthulde dat veel van de exotische wolken die in de loop der jaren zijn voorgesteld, moeilijk te vormen zijn omdat de energie die nodig is om de gassen te condenseren te hoog is. Silicaatwolken condenseren gemakkelijk, echter, en domineren over een 1, Temperatuurbereik van 200 graden Kelvin:van ongeveer 900 tot 2, 000 Kelvin. Dat is een bereik van ongeveer 2, 000 graden Fahrenheit.

Volgens het model, in de heetste sferen, aluminiumoxiden en titaniumoxiden condenseren tot wolken op hoog niveau. In exoplaneten met koelere atmosferen, die wolken vormen dieper in de planeet en worden verduisterd door hogere silicaatwolken. Op nog koelere exoplaneten, deze silicaatwolken vormen zich ook dieper in de atmosfeer, heldere bovenste sferen achterlatend. Bij nog lagere temperaturen, ultraviolet licht van de ster van de exoplaneet zet organische moleculen zoals methaan om in extreem lange koolwaterstofketens die een hoge waas vormen die lijkt op smog. Deze smog kan lager gelegen zoutwolken van kalium of natriumchloride verduisteren.

Voor die astronomen die op zoek zijn naar een wolkenloze planeet om de gassen in de atmosfeer gemakkelijker te bestuderen, Gao stelde voor om zich te concentreren op planeten tussen ongeveer 900 en 1, 400 Kelvin, of die heter zijn dan ongeveer 2, 200 Kelvin.

"De aanwezigheid van wolken is eerder gemeten in een aantal exoplaneetatmosferen, maar wanneer we gezamenlijk naar een grote steekproef kijken, kunnen we de natuurkunde en scheikunde in de atmosferen van deze werelden onderscheiden, " zei co-auteur Hannah Wakeford, een astrofysicus aan de Universiteit van Bristol in het VK "De dominante wolkensoort is net zo gewoon als zand - het is in wezen zand - en het zal echt opwindend zijn om voor het eerst de spectrale handtekeningen van de wolken zelf te kunnen meten met de aankomende James Webb Space Telescope (JWST)."

Toekomstige waarnemingen, zoals die van NASA's JWST, gepland voor lancering binnen een paar jaar, zou deze voorspellingen moeten kunnen bevestigen en misschien licht kunnen werpen op de verborgen wolkenlagen van planeten dichter bij huis. Gao zei dat soortgelijke exotische wolken kunnen bestaan ​​op diepten in Jupiter of Saturnus, waar de temperaturen dicht bij die van hete Jupiters liggen.

"Omdat er duizenden exoplaneten zijn versus slechts één Jupiter, we kunnen er een aantal bestuderen en zien wat het gemiddelde is en hoe dat zich verhoudt tot Jupiter, ' zei Gao.

Hij en zijn collega's zijn van plan het model te testen tegen waarnemingsgegevens van andere exoplaneten en ook van bruine dwergen, die in feite gasreuzen zijn die zo massief zijn dat ze bijna sterren zijn. Zij, te, wolken hebben.

"Bij het bestuderen van planetaire atmosferen in het zonnestelsel, we hebben meestal de context van afbeeldingen. Dat geluk hebben we niet met exoplaneten. Het zijn slechts stippen of schaduwen, "Zei Jonathan Fortney van UC Santa Cruz. "Dat is een enorm verlies aan informatie. Maar wat we wel moeten goedmaken, is een veel grotere steekproefomvang. En dat stelt ons in staat om trends te zoeken - hier, een trend in bewolking - met planetaire temperatuur, iets waar we in ons zonnestelsel gewoon niet de luxe van hebben."