23 april 2019

Een ‘hot Jupiter’ cocktail maar niet geschikt voor consumptie

Om een beter inzicht te verkrijgen in het type atmosfeer dat zich rond een exoplaneet bevindt heeft een team astrochemici van NASA’s Jet Propulsion Laboratorium te Pasadena, Californië, getracht in het lab een exoplanetaire atmosfeer na te bootsen. Het team richtte zich hierbij op een ‘hot Jupiter’ type exoplaneet, een gasgigant met een koolstofrijke atmosfeer waar de temperatuur schommelt rond de 3000° C en die, zoals de naam al suggereert, dicht bij zijn moederster staat. De basis receptuur bestond uit waterstof gas aangevuld met 0.3 procent koolmonoxide. Om het effect te simuleren dat sterren op de atmosfeer van hun planeten mogelijk uitoefenen, verhitte men het gas naar temperaturen die lagen tussen de 330° en 1230° C, en stelde het mengsel bloot aan hoge niveaus UV licht. De testen onthulden enkele nieuwe details over de buitenaardse atmosfeer.

HD188753b hot Jupiter artistieke impressie credits; Wikipedia / Yves L.

Van de inmiddels duizenden exoplaneten die er de afgelopen decennia ontdekt zijn is het duidelijk dat iedere exoplaneet zo zijn eigen kenmerken heeft en ook de atmosfeer van ieder van hen varieert. Astrofysici- en chemici moeten hun kennis bundelen om erachter te komen wat de samenstelling is van de atmosfeer van de exoplaneten. Het team van Benjamin Fleury, eerste auteur van de studie* heeft geprobeerd een fotochemische lab simulatie (fotochemie is een chemisch reactie gestart of gedreven door licht) van zo een atmosfeer te maken. Fotochemische reacties kunnen mogelijk de atmosferische samenstelling van exoplaneten aanzienlijk beïnvloeden met gevolgen voor de stralingsoverdracht, thermische structuur en dynamica van de atmosferen, met name in UV rijke stellaire structuren. De wijze waarop het licht van de moederster door de atmosfeer van de betreffende exoplaneet trekt is een aanwijzing tot de samenstelling van wat er zich binnen in de atmosfeer bevindt. En, naast licht, geldt dat uiteraard ook voor andere factoren als warmte, straling enz. en hoe en in welke mate deze de exoplaneet bereiken en beïnvloeden. Dit is echter niet afdoende om een volledig beeld van de atmosfeer van de exoplaneet te krijgen en daarom besloot het JPL team in het lab een soortgelijke atmosfeer te creëren.

Aerosol vorming in ovenschaal credits; NASA / JPL Caltech

Een hot Jupiter exoplaneet is veel onderzocht (ze zijn groot en stralen veel licht uit) en uitgebreid gedocumenteerd. Dit type exoplaneten draait in een korte periode, < 10 dagen, rond zijn moederster en zijn verzengend heet. Als basis voor het fotochemisch experiment nam men de gassen die gewoongoed zijn in de kosmos en meer specifiek in jonge zonnestelsels; waterstof gas met hieraan toegevoegd 0.3 procent koolmonoxide. De moleculaire samenstelling en verandering in de gasfase werd m.b.v. spectroscopische technieken gevolgd. Vervolgens werd het mengsel verwarmd tot tussen de 330° en 1230° C (de efficiëntie van fotochemie is hangt sterk samen met toenemende temperatuur), en blootgesteld aan hoge niveaus UV licht waarbij de gas samenstellingen veranderden.  Er ontstond water, kooldioxide en methaan. Eerder is ook aangetoond dat atmosferen van exoplaneten vaak ondoorschijnend, opaak, zijn in de hoge atmosfeer en bij een lage druk wanneer wolkvorming niet mogelijk is. De artificieel gecreëerde atmosfeer bleek ook opaak te zijn, dit, zo ontdekte het team kwam vanwege het UV licht waardoor er organische aerosolen werden gevormd – een aerosol is een colloïdaal mengsel van stofdeeltjes of vloeistofdruppels in een gas – wat de mogelijkheid bevestigt voor fotochemische nevelvorming in hete Jupiter-atmosferen met een evenredige koolstof/zuurstof-verhouding.

Fotochemie lab met oven (midden) om waterstof en koolmonoxide te verhitten en aan UV bloot te stellen credits; NASA / JPL Caltech

“Deze resultaten veranderen de manier waarop we de opaak ‘hot Jupiter’ atmosferen interpreteren,” aldus Fleury.  “Verder hierop bordurend, willen we de eigenschappen van de aerosolen grondig bestuderen. We willen beter begrijpen hoe ze zich vormen, hoe ze licht absorberen en hoe ze zich aanpassen als de omgeving verandert. Al deze informatie kan astronomen helpen beter te begrijpen wat ze nou echt zien als ze deze atmosferen van exoplaneten observeren.” En vervolgt; ” Voor wat betreft de andere chemische reacties die de straling uitlokte, dat is ook zeer interessant – namelijk de creatie van koolstofdioxide en waterdamp. Water is wel eerder gedetecteerd in hot Jupiter atmosferen maar wetenschappers dachten dat zich dit alleen kon vormen zodra er meer zuurstof dan koolstof aanwezig was. Deze proeven tonen aan dat het zich ook kan vormen met een zelfde hoeveelheid van deze elementen. Verwacht wordt dat met de volgende generatie ruimtetelescopen zoals de James Webb die in 2021 gelanceerd wordt de eerste gedetailleerde chemische profielen van exoplaneet atmosferen kunnen worden samengesteld. Het team gaat verder met dergelijke onderzoeken en heeft hiervoor zelfs een speciaal type oven laten ontwerpen, waarin hogere temperaturen tot 3000 Celsius en een verfijnde druk regeling mogelijk is. Het is niet de eerste keer dat er een dergelijke ‘alien cocktail’ op aarde wordt gebrouwen. Vorig jaar simuleerde een ander NASA team de vloeibaar methaan oceanen van Titan voor het uittesten van duikboten die zich onder het oppervlak van deze oceanen kunnen voortbewegen. Bronnen; New Atlas / Phys.org / NASA / JPL

  • Benjamin Fleury e.a.. Photochemistry in Hot H2-dominated Exoplanet Atmospheres, The Astrophysical Journal (2019).

https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/aaf79f/meta

 

Laat wat van je horen

*

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.