(ESA/ATG medialab/CC BY-SA 3.0) Dank des Erfolgs der Kepler-Mission wissen wir, dass es eine Vielzahl von Exoplaneten eines Typs namens „Heiße Jupiter“ gibt. Dabei handelt es sich um Gasriesen, die ihre Sterne so nah umkreisen, dass sie extrem hohe Temperaturen erreichen.
Sie haben auch exotische Atmosphären, und diese Atmosphären enthalten viel Seltsames, wie Wolken aus Aluminiumoxid und Titanregen.
Ein Team von Astronomen hat einen Wolkenatlas für Heiße Jupiter erstellt, der detailliert beschreibt, welche Art von Wolken und Atmosphären wir sehen werden, wenn wir verschiedene Heiße Jupiter beobachten.
Obwohl alle heißen Jupiter ähnlich sind, weisen sie doch einige Unterschiede auf. Und diese Unterschiede können bestimmen, was wir in ihrer Atmosphäre sehen werden, insbesondere in den nächsten Jahren, wenn wir leistungsfähigere Teleskope entwickeln, mit denen wir sie beobachten können.
Die obere Massengrenze für einen Hot Jupiter beträgt etwa 13,6 Jupitermassen. Darüber hinaus würde es Deuterium verschmelzen und wäre ein Brauner Zwerg. Ihre Umlaufzeit beträgt zwischen 1,2 und 111 Erdentagen und die Umlaufbahnen sind nahezu kreisförmig mit geringer Exzentrizität.
Viele heiße Jupiter haben eine geringe Dichte und sind gezeitengebunden an ihren Stern gebunden. Sie sind in der Nähe von Roten Zwergsternen selten, häufig in der Nähe von Sternen vom Typ F und G und seltener in der Nähe von Sternen vom Typ K.
Ein Grund dafür, dass wir von so vielen heißen Jupitern wissen, ist, dass sie so leicht zu erkennen sind. Wenn sie Transit Vor ihren Sternen blockieren sie viel mehr Licht als kleinere Planeten. Und da ihre Umlaufzeiten so kurz sind, ist die Wahrscheinlichkeit, dass wir einen vorbeifliegenden Planeten erwischen, während wir ihn beobachten, recht hoch.
Da heiße Jupiter so leicht zu finden sind und hervorragende Kandidaten für die atmosphärische Beobachtung mit zukünftigen Teleskopen sind, hat ein Team von Astronomen einen Wolkenatlas für sie zusammengestellt. Dieser Atlas ist im Grunde ein Modell der verschiedenen Arten von Atmosphären und Wolken, die auf verschiedenen heißen Jupitern zu finden sind.
Vorhergesagte Wolkenhöhen und -zusammensetzungen für Temperaturen, die auf heißen Jupiterplaneten in Kelvin üblich sind. (Bild der UC Berkeley von Peter Gao)
Das Astronomenteam kommt aus Kanada, Großbritannien und den USA. Hauptautor ist Peter Gao, Postdoktorand an der University of California, Berkeley. Der Titel der Arbeit lautet „ Aerosolzusammensetzung heißer Riesen-Exoplaneten, dominiert von Silikaten und Kohlenwasserstoffnebeln .' Es ist in der Zeitschrift veröffentlicht Naturastronomie .
Die Idee hinter der Studie besteht darin, die Art der Atmosphären heißer Jupiter zu katalogisieren.
Wie die Autoren in der Studie schreiben: „Aerosole kommen in der Atmosphäre von Exoplaneten in einem breiten Temperatur-, Massen- und Altersbereich häufig vor.“ „Diese Aerosole wirken sich stark auf Beobachtungen von durchgelassenem, reflektiertem und emittiertem Licht von Exoplaneten aus und verschleiern unser Verständnis der thermischen Struktur und Zusammensetzung von Exoplaneten.“
Das Verständnis der Aerosole in der Atmosphäre des heißen Jupiter wird Astronomen bei der künftigen Beobachtung dieser Atmosphären einen Vorsprung verschaffen.
„Die Kenntnis der vorherrschenden Aerosolzusammensetzung würde die Interpretation von Exoplanetenbeobachtungen und das theoretische Verständnis ihrer Atmosphären erleichtern“, schreiben sie.
Ihre Arbeit ist auch für Welten in unserem eigenen Sonnensystem relevant, etwa für die kühleren Gasriesen Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun und ähnliche Monde Titan , die von einer dichten, dunstigen Atmosphäre dominiert wird.
Laut den Autoren dominiert ein Wolkentyp die Atmosphäre von Gias-Riesen, unabhängig davon, ob es sich um heiße Jupiter oder kühlere Riesen handelt. Diese Atmosphäre enthält „flüssige oder feste Tröpfchen aus Silizium und Sauerstoff, wie geschmolzener Quarz oder geschmolzener Sand“.
„Die Arten von Wolken, die in diesen heißen Atmosphären existieren können, sind Dinge, die wir nicht wirklich als Wolken im Sonnensystem betrachten“, sagte Hauptautor Peter Gao in einer Pressemitteilung .
„Es gab Modelle, die verschiedene Zusammensetzungen vorhersagen, aber der Zweck dieser Studie bestand darin, zu beurteilen, welche dieser Zusammensetzungen tatsächlich wichtig sind, und das Modell mit den verfügbaren Daten zu vergleichen, die uns vorliegen.“
Die Atmosphäre von Exoplaneten – und eigentlich alles, was mit Exoplaneten zu tun hat – ist seit etwa einem Jahrzehnt ein heißes Thema in der Astronomie. Astronomen konnten diese Atmosphären beobachten, während Sternenlicht sie durchdringt, und einige Fakten über ihre Zusammensetzung ermitteln.
Im Jahr 2019 fanden Wissenschaftler beispielsweise Wasserdampf – vielleicht sogar Regen - in der Atmosphäre eines Exoplaneten. Im Jahr 2020 entdeckten Forscher Hinweise darauf geschmolzener Eisenregen in der Atmosphäre auf der Nachtseite eines von Gezeiten blockierten Exoplaneten.
Und im Oktober 2013 fanden Astronomen Hinweise auf eine Wolkendecke auf einem der ersten Exoplaneten, die von der Raumsonde Kepler entdeckt wurden. Kepler 7b .
Wolkenkarte von Kepler-7b (links) im Vergleich zu Jupiter (rechts). (NASA/JPL-Caltech/MIT)
Aber für jeden Exoplaneten, der seine atmosphärischen Geheimnisse der Spektroskopie preisgibt, gibt es einen anderen, dessen Wolkendecke so dick ist, dass die Spektroskopie nicht funktioniert. Es gibt so viele Wolken, dass das Sternenlicht sie überhaupt nicht durchdringen kann. Dies hindert Astronomen daran, die tieferen Schichten der Atmosphäre zu untersuchen, in denen Hinweise auf den Planeten verborgen sind.
„Wir haben viele Wolken gefunden: einige Arten von Partikeln – keine Moleküle, sondern kleine Tröpfchen – die in diesen Atmosphären hängen“, sagte Gao.
„Wir wissen nicht wirklich, woraus sie bestehen, aber sie verunreinigen unsere Beobachtungen und machen es für uns im Wesentlichen schwieriger, die Zusammensetzung und Häufigkeit wichtiger Moleküle wie Wasser und Methan einzuschätzen.“
Exoplaneten-Wissenschaftler haben versucht zu verstehen und zu erklären, was sie sehen, was diese Tröpfchen sind. Sie haben Aluminiumoxide wie Korund, den Stoff, aus dem Rubine und Saphire bestehen, modelliert; geschmolzenes Salz, wie Kaliumchlorid; Siliziumoxide oder Silikate wie Quarz, der Hauptbestandteil von Sand; Sulfide von Mangan oder Zink, die als Gesteine auf der Erde vorkommen; und organische Kohlenwasserstoffverbindungen.
Und laut Gao könnten diese exotischen Wolken flüssige oder feste Aerosole sein.
Die Modelle wurden von Modellen übernommen, die rund um die Erdatmosphäre entwickelt wurden, und dann auf Planeten wie Jupiter ausgeweitet, deren Atmosphäre turbulent ist und Methan- und Ammoniakwolken enthält. Von dort aus erweiterten Gao und die anderen Autoren es um heiße Jupiter mit Temperaturen von bis zu 2500 Grad Celsius (4600 F).
Ihr Ziel war es, zu untersuchen, wie verschiedene atmosphärische Gase verschiedener Atome oder Moleküle zu Tröpfchen kondensieren, wie diese Tröpfchen wachsen oder verdampfen und wie sie durch die Atmosphäre transportiert werden könnten.
„Die Idee ist, dass die gleichen physikalischen Prinzipien die Bildung aller Arten von Wolken steuern“, sagte Gao, der auch Schwefelsäurewolken modelliert hat Venus .
„Was ich getan habe, ist, dieses Modell zu nehmen und es auf den Rest der Galaxie zu übertragen, sodass es in der Lage ist, Silikatwolken, Eisenwolken und Salzwolken zu simulieren.“
Aber das ist nur die Modellierung. Sobald ein Modell entwickelt wurde, ist es an der Zeit, es durch Beobachtungen zu testen. Wir haben detaillierte atmosphärische Beobachtungen für etwa 70 Exoplaneten, und Gao und das Forscherteam verglichen dieses Modell mit 30 davon.
Ihre Ergebnisse schlossen einige der exotischeren Wolkentypen aus, die im Laufe der Jahre vorgeschlagen wurden. Das liegt daran, dass es zu viel Energie kostet, sie zu verdichten.
Andere Arten wie Quarzwolken kondensieren jedoch leicht. Gao und das Team fanden heraus, dass Quarzwolken über einen ziemlich weiten Temperaturbereich dominieren: 1100 Kelvin, von etwa 900 K bis 2000 K.
Sie fanden außerdem heraus, dass in den heißesten Jupitern Aluminiumoxide und Titanoxide zu hochgelegenen Wolken kondensieren, während sich diese Wolken auf Exoplaneten mit kühleren Atmosphären tiefer im Planeten bilden und von höheren Silikatwolken verdeckt werden.
Wenn die Planeten noch kühler sind, bilden sich dieselben Silikatwolken noch tiefer und lassen die obere Atmosphäre klar.
Als Ergebnis ihrer Ergebnisse sagt Gao, dass die besten heißen Jupiter für atmosphärische Untersuchungen in zwei Temperaturbereichen liegen: Eine Bereichsgruppe liegt zwischen 900 K und 1400 K und die andere liegt über 2200 K.
In beiden Temperaturbereichen ist die obere Atmosphäre klar, was detaillierte Beobachtungen der Atmosphäre ermöglicht.
„Das Vorhandensein von Wolken wurde bereits in einer Reihe von Atmosphären von Exoplaneten gemessen, aber wenn wir gemeinsam eine große Stichprobe betrachten, können wir die Physik und Chemie in den Atmosphären dieser Welten auseinandernehmen“, sagte Co-Autorin Hannah Wakeford , ein Astrophysiker an der University of Bristol im Vereinigten Königreich.
„Die vorherrschende Wolkenart ist so häufig wie Sand – es ist im Wesentlichen Sand – und es wird wirklich spannend sein, mit dem kommenden James Webb Space Telescope (JWST) zum ersten Mal die spektralen Signaturen der Wolken selbst messen zu können.“
Wenn das JWST startet, wird es einen großen Aufschwung für eine Reihe von Bereichen der Astronomie, Kosmologie und anderen Bereichen der Weltraumwissenschaft bedeuten. Es wird in der Lage sein, die Atmosphäre von Exoplaneten genau zu untersuchen.
Aber es wird auch in der Lage sein, sein leistungsstarkes Infrarotauge auf Welten zu richten, die näher an seiner Heimat liegen, wie zum Beispiel Jupiter. Möglicherweise stellen wir fest, dass einige der in dieser Arbeit beschriebenen exotischen Wolkentypen in der tieferen Atmosphäre des Jupiter existieren.
Es gibt eine Schwäche dieser Studie, die die Autoren von vornherein anerkennen. Ihr Modell berücksichtigt keine Tag-Nacht-Unterschiede, auch wenn heiße Jupiter normalerweise durch die Gezeiten an ihre Sterne gebunden sind.
Sie schreiben: „Ein Vorbehalt unserer Studie besteht darin, dass wir durch die Verwendung eindimensionaler Modelle die Dreidimensionalität warmer riesiger Exoplaneten nicht berücksichtigen, die wahrscheinlich durch Gezeiten an ihre Wirtssterne gebunden sind.“
Allerdings hat dies insgesamt möglicherweise keine große Auswirkung auf die Ergebnisse ihrer Arbeit. Die Autoren schreiben: „Es ist jedoch unwahrscheinlich, dass diese Effekte unsere Schlussfolgerungen wesentlich beeinflussen, da das bei der Übertragung beobachtete terminatorgemittelte Temperaturprofil dem global gemittelten Profil, das wir in unserer Modellierung verwenden, ähnlicher sein dürfte als dem extremeren Tages- und Temperaturprofil.“ Nachtseitenprofile.'
In Zukunft wollen Gao und seine Kollegen ihr Modell anhand weiterer Exoplanetenbeobachtungen testen. „Da es Tausende von Exoplaneten im Vergleich zu nur einem Jupiter gibt, können wir eine Reihe von ihnen untersuchen und sehen, wie hoch der Durchschnitt ist und wie dieser im Vergleich zu Jupiter aussieht“, sagte Gao.
Sie beabsichtigen auch, einige Braune Zwerge zu untersuchen. Braune Zwerge sind im Wesentlichen Gasriesen, die so massereich sind, dass sie fast Sterne sind, und auch sie haben Atmosphären und Wolken .
„Bei der Untersuchung der Planetenatmosphären im Sonnensystem haben wir normalerweise den Kontext von Bildern. Mit Exoplaneten haben wir kein solches Glück. „Sie sind nur Punkte oder Schatten“, sagte Jonathan Fortney von der UC Santa Cruz.
„Das ist ein riesiger Informationsverlust.“ Aber was wir dafür ausgleichen müssen, ist eine viel größere Stichprobengröße. Und das ermöglicht es uns, nach Trends – hier einem Trend zur Bewölkung – bei der Planetentemperatur zu suchen, etwas, das wir uns in unserem Sonnensystem einfach nicht leisten können.“
Dieser Artikel wurde ursprünglich veröffentlicht von Universum heute . Lesen Sie das Original Artikel .