Veel exoplaneten hebben een ondoorzichtige atmosfeer, verduisterd door wolken of nevelen die het voor astronomen moeilijk maken om hun chemische samenstelling te karakteriseren. Een nieuwe studie toont aan dat neveldeeltjes die onder verschillende omstandigheden worden geproduceerd, een breed scala aan eigenschappen hebben die kunnen bepalen hoe helder of wazig de atmosfeer van een planeet zal zijn.

Fotochemische reacties in de atmosfeer van gematigde exoplaneten leiden tot de vorming van kleine organische waasdeeltjes. Elke dag vormen zich grote hoeveelheden van deze fotochemische nevels in de atmosfeer van de aarde, toch heeft onze planeet een relatief heldere hemel. De reden heeft te maken met hoe gemakkelijk neveldeeltjes door afzettingsprocessen uit de atmosfeer worden verwijderd.

"Het is niet alleen de nevelproductie, maar ook de nevelverwijdering die bepaalt hoe helder de atmosfeer is, " zei Xinting Yu, een postdoctoraal fellow bij UC Santa Cruz en hoofdauteur van de studie, gepubliceerd op 12 juli in Natuurastronomie .

Yu en haar collega's hebben de eigenschappen van neveldeeltjes gemeten die in het laboratorium zijn geproduceerd onder omstandigheden die representatief zijn voor exoplaneetatmosferen, waaronder een reeks gassamenstellingen, temperaturen, en energiebronnen. Co-auteur Xi Zhang, assistent-professor Aard- en planeetwetenschappen aan UC Santa Cruz, genoemde laboratoriumexperimenten zoals deze zijn essentieel voor het begrijpen van waasvorming en de impact ervan op waarnemingen.

"We kunnen geen waasmonsters van exoplaneten terugbrengen, dus we moeten proberen de atmosferische omstandigheden in het laboratorium na te bootsen, " hij zei.

Volgens Yu, het verwijderen van waas hangt af van een kritische materiaaleigenschap van de deeltjes die oppervlakte-energie wordt genoemd. "Oppervlakte-energie beschrijft hoe samenhangend of 'plakkerig' het materiaal is, " ze zei.

Kleverige waasdeeltjes hechten zich gemakkelijk met elkaar wanneer ze botsen, uitgroeien tot grotere deeltjes die uit de atmosfeer op het oppervlak van de planeet vallen (een proces dat droge depositie wordt genoemd). Ze vormen ook goede condensatiekernen voor wolkendruppels en kunnen gemakkelijk worden verwijderd door natte depositie. Hazes die op aarde worden geproduceerd, hebben doorgaans een hoge oppervlakte-energie en zijn daarom 'plakkerig' en efficiënt uit de atmosfeer verwijderd.

Yu's laboratoriumexperimenten laten zien dat de nevels die in de atmosfeer van exoplaneten worden geproduceerd zeer divers zijn, met eigenschappen die afhankelijk zijn van de omstandigheden waarin ze worden geproduceerd.

"Sommige van hen lijken op de aardnevel, een hoge oppervlakte-energie hebben, en zijn gemakkelijk te verwijderen, leidend tot een heldere hemel, "zei ze. "Maar sommige hebben een zeer lage oppervlakte-energie, zoals een pan met antiaanbaklaag; ze hechten niet zo goed aan andere deeltjes en blijven lang als kleine deeltjes in de atmosfeer hangen."

Uit het onderzoek bleek dat een kritische factor de temperatuur is waarbij de neveldeeltjes ontstaan. Hazes geproduceerd bij ongeveer 400 Kelvin (260 ° F) hadden de neiging om de laagste oppervlakte-energieën te hebben, wat leidt tot een minder efficiënte verwijdering en een wazigere atmosfeer. Deze bevinding komt eigenlijk overeen met waargenomen trends, Yu zei, opmerkend dat exoplaneten bij temperaturen van 400 tot 500 K de neiging hebben het meest wazig te zijn.

Koelere planeten die zich in de bewoonbare zones van hun gaststerren bevinden, hebben meer kans op een heldere atmosfeer, ze zei. "We hoeven ons misschien geen zorgen te maken dat bewoonbare exoplaneten te wazig zijn voor toekomstige waarnemingen, aangezien nevels de neiging hebben om hogere oppervlakte-energieën te hebben bij lagere temperaturen, "Zei Yu. "Dus het is gemakkelijk om deze nevels te verwijderen, relatief heldere sferen achterlatend."

Astronomen kijken uit naar een krachtig hulpmiddel voor het karakteriseren van exoplaneetatmosferen met de aankomende James Webb Space Telescope (JWST). Wanneer een exoplaneet over het oppervlak van zijn ster beweegt, zijn atmosfeer filtert het licht van de ster, astronomen met een voldoende gevoelige telescoop (zoals JWST) de kans geven om de chemische componenten van de atmosfeer te identificeren met behulp van transmissiespectroscopie.

Een wazige atmosfeer zou transmissiespectroscopie verstoren, maar de nevelen zelf kunnen nog steeds waardevolle informatie opleveren, volgens Zhang.

"Hazes zijn niet karakterloos, " zei hij. "Met betere telescopen, we kunnen misschien de samenstelling van exoplaneetnevels karakteriseren en hun chemie begrijpen. Maar de waarnemingen zullen heel moeilijk te verklaren zijn zonder gegevens van laboratoriumexperimenten. Deze studie heeft de enorme diversiteit aan neveldeeltjes onthuld, en het begrijpen van hun optische eigenschappen zal een hoge prioriteit hebben voor toekomstige studies."