Исследователи из Лаборатории реактивного движения НАСА в Пасадене, Калифорния, «готовят» внеземную атмосферу прямо здесь, на Земле. В новом исследовании исследователи JPL использовали высокотемпературную «печь» для нагрева смеси водорода и окиси углерода до более чем 1 ° C (100 ° F), что равняется температуре расплавленной лавы. Цель состояла в том, чтобы смоделировать условия, которые могут быть обнаружены в атмосфере особого типа экзопланеты (планеты за пределами нашей солнечной системы) под названием «горячие юпитеры».

Юпитери = космические гиганты

Горячие юпитеры - это газовые гиганты, вращающиеся в отличие от планет нашей солнечной системы очень близко к своей родительской звезде. В то время как Земля вращается вокруг Солнца в течение 365 дней, горячие Юпитеры обращаются вокруг своих звезд менее чем за 10 дней. Это небольшое расстояние от звезд означает, что их температура может достигать 530–2 ° C (800–1 ° F) или даже больше. Для сравнения: жаркий день на поверхности Меркурия (который вращается вокруг Солнца за 000 дней) достигает температуры около 5 ° C (000 ° F).

Главный научный сотрудник JPL Мурти Гудипати, руководитель группы, которая провела новое исследование, опубликованное в прошлом месяце в Astrophysical Journal, говорит:

«Точное лабораторное моделирование суровых условий окружающей среды этих экзопланет невозможно, но мы можем имитировать это очень точно».

Команда начала с простой химической смеси, состоящей в основном из газообразного водорода и 0,3% газообразного оксида углерода. Эти молекулы очень распространены в космосе и в ранних солнечных системах и, следовательно, могут логично формировать атмосферу горячего Юпитера. Затем смесь нагревали до 330-1 ° C (от 230 до 620 ° F).

Ученые также подвергли эту лабораторную смесь воздействию высоких доз ультрафиолетового излучения, аналогичного тому, которое могло повлиять на горячий Юпитер, вращающийся вокруг своей родительской звезды. Было показано, что УФ-свет является активным ингредиентом. Его работа во многом способствовала удивительным результатам исследования химических явлений, которые могут иметь место в горячей атмосфере.

Горячие Юпитеры

Горячие юпитеры считаются большими планетами и излучают больше света, чем более холодные планеты. Эти факторы позволили астрономам получить больше информации об атмосфере, чем большинство других типов экзопланет. Наблюдения показали, что многие атмосферы горячих юпитеров на больших высотах непрозрачны. Хотя непрозрачность частично может быть оправдана облаками, эта теория теряет свою силу с уменьшением давления. Непрозрачность наблюдается даже при очень низком атмосферном давлении.

Маленький сапфировый диск на правом изображении показывает органические аэрозоли, образовавшиеся внутри высокотемпературной печи. Диск слева не использовался. Источник изображения: NASA / JPL-Caltech

Итак, ученые ищут другие возможные объяснения, и одним из них могут быть аэрозоли - твердые частицы, содержащиеся в атмосфере. Однако, по словам исследователей JPL, ученые не знали, как аэрозоли могут образовываться в горячих атмосферах Юпитера. Имитировать это можно было только в новом эксперименте, когда горячая химическая смесь подвергалась воздействию УФ-излучения.

Бенджамин Флери, исследователь и ведущий автор исследования JPL

"Этот результат меняет то, как мы интерпретируем туманную горячую атмосферу Юпитера. В будущем мы хотим изучить свойства этих аэрозолей. Мы хотим лучше понять, как они формируются, как поглощают свет и как реагируют на изменения в окружающей среде. Вся эта информация может помочь астрономам понять, что они видят, наблюдая за этими планетами. "

Обнаружен водяной пар

Исследование также преподнесло еще один сюрприз: в результате химических реакций образовалось значительное количество углекислого газа и воды. Водяной пар был обнаружен в горячих атмосферах Юпитера, в то время как ученые ожидали, что эта редкая молекула может образоваться только при наличии большего количества кислорода, чем углерода. Новое исследование показало, что вода может образовываться, даже если углерод и кислород присутствуют в равных пропорциях. (Окись углерода содержит один атом углерода и один атом кислорода.) В то время как углекислый газ (один атом углерода и два атома кислорода) был произведен без дополнительного УФ-излучения, реакции ускорились с добавлением моделированного звездного света.

Марк Суэйн, исследователь экзопланет JPL и соавтор исследования, говорит:

«Эти новые результаты можно сразу же использовать для интерпретации того, что мы видим в горячих атмосферах Юпитера. Мы предположили, что в этих атмосферах на химические реакции больше всего влияет температура, но теперь выяснилось, что нам также необходимо учитывать роль излучения ».

С помощью инструментов следующего поколения, таких как космический телескоп НАСА Джеймса Уэбба, которые готовятся к запуску в 2021 году, ученые смогут создать первые подробные химические профили экзопланетных атмосфер. И не исключено, что одними из первых окажутся у горячих Юпитеров. Эти исследования помогут ученым понять, как формируются другие солнечные системы и насколько они похожи или отличаются от нашей.

Для исследователей JPL работа только началась. В отличие от обычной печи, она герметично закрыта, чтобы предотвратить утечку газа или загрязнение, что позволяет ученым контролировать ее давление при повышении температуры. С помощью этого оборудования они теперь могут моделировать экзопланетные атмосферы при еще более высоких температурах до 1600 ° C (3000 ° F).

Брайана Хендерсон, соавтор исследования JPL

«Успешная разработка и эксплуатация этой системы - постоянная задача. Это связано с тем, что большинство стандартных компонентов, таких как стекло или алюминий, плавятся при таких высоких температурах. Мы постоянно учимся расширять границы, безопасно моделируя эти химические процессы в лаборатории. Однако в конце концов захватывающие результаты, которые приносят эксперименты, стоят всей дополнительной работы и усилий ».