Исследователи из Лаборатории реактивного движения NASA в Пасадене, Калифорния, готовят инопланетную атмосферу прямо здесь, на Земле.
В новом исследовании ученые JPL использовали высокотемпературную печь для нагрева смеси водорода и окиси углерода до температуры более 2000 градусов по Фаренгейту (1100 градусов Цельсия), примерно до температуры расплавленной лавы.
Цель состояла в том, чтобы смоделировать условия, которые можно было бы найти в атмосфере особого класса экзопланет (планет за пределами нашей Солнечной системы), называемых горячими Юпитерами.
Горячие Юпитеры - газовые гиганты, которые вращаются очень близко к своей родительской звезде, в отличие от любой из планет нашей Солнечной системы. В то время как Земля обращается вокруг Солнца 365 дней, горячие Юпитеры обращаются вокруг своих звезд менее чем за 10 дней. Их близость к звезде означает, что температура может колебаться от 1000 до 5000 градусов по Фаренгейту (от 530 до 2800 градусов по Цельсию) или даже выше. Для сравнения, жаркий день на поверхности Меркурия (который занимает 88 дней на орбите Солнца) достигает около 800 градусов по Фаренгейту (430 градусов Цельсия).
По словам исследователей, хотя невозможно точно смоделировать в лаборатории суровые экзопланетные среды, можно подойти очень близко.
Команда начала с простой химической смеси в основном из водорода и 0,3% угарного газа. Эти молекулы чрезвычайно распространены во Вселенной в ранних солнечных системах. Они могут разумно составить атмосферу горячего Юпитера. Затем команда нагрела смесь до 620 и 2240 градусов по Фаренгейту (330 и 1230 по Цельсию).
Ученые JPL использовали печь для нагрева смеси водорода и окиси углерода и подвергали ее ультрафиолетовому излучению, генерируемому водородной газоразрядной лампой. Лампа излучает как видимый свет (розовое свечение), так и ультрафиолетовый свет, который поступает в газовый баллон внутри печи через окно с правой стороны.
Команда также подвергла лабораторное варево воздействию высокой дозы ультрафиолетового излучения, подобно тому, что испытал бы горячий Юпитер, вращаясь так близко к своей родительской звезде. Ультрафиолетовый свет оказался мощным ингредиентом.
Горячие Юпитеры велики по планетарным стандартам, и они излучают больше света, чем более холодные планеты. Такие факторы позволили астрономам собрать больше информации об их атмосферах, чем большинство других типов экзопланет. Эти наблюдения показывают, что многие горячие атмосферы Юпитера непрозрачны на больших высотах. Хотя облака могут объяснить непрозрачность, они становятся все менее и менее устойчивыми по мере снижения давления, и непрозрачность наблюдается там, где атмосферное давление очень низкое.
Ученые искали другие возможные объяснения, кроме облаков, и аэрозоли – твердые частицы, взвешенные в атмосфере – могли быть одним из них. Однако, по словам исследователей JPL, ученые ранее не знали о том, как аэрозоли могут развиваться в горячих атмосферах Юпитера. В новом эксперименте добавление ультрафиолетового света в горячую химическую смесь сделало трюк.
Этот результат меняет интерпретацию туманной горячей атмосферы Юпитера. Вся эта информация может помочь астрономам понять, что они видят, когда наблюдают эти планеты.
Исследование преподнесло еще один сюрприз: химические реакции произвели значительное количество углекислого газа и воды. В то время как водяной пар был обнаружен в горячих атмосферах Юпитера, ученые по большей части ожидают, что эта драгоценная молекула образуется только тогда, когда кислорода больше, чем углерода.
Ученые предположили, что температура доминирует в химии в этих атмосферах, но это показывает, что нужно посмотреть, какую играет роль излучение.
С помощью инструментов следующего поколения, таких как космический телескоп Джеймса Уэбба NASA, который будет запущен в 2021 году, ученые могут получить первые подробные химические профили атмосферы экзопланет, и вполне возможно, что некоторые из этих первых объектов будут горячими Юпитерами. Эти исследования помогут ученым узнать, как формируются другие солнечные системы и насколько они похожи или отличаются от наших.
По словам исследователей, они все еще учатся раздвигать границы, безопасно управляя химическими процессами в лаборатории. Но, в конце концов, волнующие результаты этих экспериментов стоят всех дополнительных усилий.
