Οι ερευνητές του NASA Jet Propulsion Laboratory στην Πασαντένα, Καλιφόρνια, «μαγειρεύουν» την εξωγήινη ατμόσφαιρα εδώ στη Γη. Σε μια νέα μελέτη, οι επιστήμονες της JPL χρησιμοποίησαν έναν "φούρνο" υψηλής θερμοκρασίας για να θερμάνουν ένα μείγμα υδρογόνου και μονοξειδίου του άνθρακα σε περισσότερο από 1 ° C (100 ° F), που ισοδυναμεί με τη θερμοκρασία της λειωμένης λάβας. Ο στόχος ήταν να προσομοιωθούν οι συνθήκες που θα μπορούσαν να βρεθούν στην ατμόσφαιρα ενός ειδικού τύπου εξωπλανήτη (πλανήτες έξω από το ηλιακό μας σύστημα), που ονομάζεται "ζεστοί Jupiters".

Jupiter = διαστημικοί γίγαντες

Οι Hot Jupitors είναι γίγαντες αερίων σε τροχιά, σε αντίθεση με τους πλανήτες του ηλιακού μας συστήματος, πολύ κοντά στο γονικό τους αστέρι. Ενώ η Γη τροχιά τις ημέρες Sun 365, οι καυτές Jupitors κυκλοφορούν γύρω από τα αστέρια τους για λιγότερο από 10 ημέρες. Αυτή η μικρή απόσταση από τα αστέρια σημαίνει ότι οι θερμοκρασίες τους μπορούν να φθάσουν το 530 σε 2 800 ° C (1 000 έως 5 000 ° F) ή ακόμα περισσότερο. Συγκριτικά, μια ζεστή μέρα στην επιφάνεια του υδραργύρου (η οποία περιστρέφεται γύρω από τον Ήλιο σε 88 ημέρες) φθάνει σε θερμοκρασία περίπου 430 ° C (800 ° F).

Ο επικεφαλής επιστήμονας JPL Murthy Gudipati, αρχηγός της ομάδας που διενήργησε μια νέα μελέτη τον περασμένο μήνα στην Astrophysical Journal, λέει:

«Δεν είναι δυνατή η ακριβής εργαστηριακή προσομοίωση του σκληρού περιβάλλοντος αυτών των εξωπλανήτων, αλλά μπορούμε να το μιμηθούμε πολύ προσεκτικά».

Η ομάδα ξεκίνησε με ένα απλό χημικό μίγμα κυρίως αερίου υδρογόνου και αερίου μονοξειδίου του άνθρακα 0,3. Αυτά τα μόρια είναι πολύ συνηθισμένα στο σύμπαν και τα πρώιμα ηλιακά συστήματα και επομένως λογικά θα μπορούσαν να δημιουργήσουν την ατμόσφαιρα του ζεστού Δία. Το μίγμα στη συνέχεια θερμάνθηκε σε 330 σε 1 230 ° C (620 σε 2 240 ° F).

Οι επιστήμονες έχουν επίσης εκθέσει αυτό το εργαστηριακό μείγμα σε υψηλές δόσεις υπεριώδους ακτινοβολίας - παρόμοιο με αυτό που μπορεί να επηρεάσει τον καυτό Δία γύρω από το γονικό αστέρι του. Το υπεριώδες φως έχει αποδειχθεί ότι είναι ένα δραστικό συστατικό. Οι ενέργειές του συνέβαλαν σε μεγάλο βαθμό στα εκπληκτικά αποτελέσματα μιας μελέτης σχετικά με τα χημικά φαινόμενα που μπορούν να λάβουν χώρα σε θερμές ατμόσφαιρες.

Ζεστό Δία

Οι καυτοί Jupiters θεωρούνται μεγάλοι πλανήτες και ακτινοβολούν περισσότερο φως από τους ψυχρότερους πλανήτες. Αυτοί οι παράγοντες έχουν επιτρέψει στους αστρονόμους να μάθουν περισσότερα για την ατμόσφαιρά τους από τους περισσότερους άλλους τύπους εξωπλανήτων. Οι παρατηρήσεις έδειξαν ότι πολλές ατμόσφαιρες του Δία είναι αδιαφανείς σε μεγάλα υψόμετρα. Αν και η αδιαφάνεια μπορεί να δικαιολογηθεί μερικώς από τα σύννεφα, αυτή η θεωρία χάνει έδαφος με μειούμενη πίεση. Πράγματι, παρατηρήθηκε αδιαφάνεια όταν η ατμοσφαιρική πίεση είναι πολύ χαμηλή.

Ο μικρός δίσκος ζαφείρι στο δεξιό σχήμα δείχνει οργανικά αερολύματα που σχηματίζονται μέσα στον κλίβανο υψηλής θερμοκρασίας. Ο αριστερός δίσκος δεν χρησιμοποιείται. Πηγή εικόνας: NASA / JPL-Caltech

Έτσι οι επιστήμονες κοίταξαν μια άλλη πιθανή εξήγηση και ένας από αυτούς θα μπορούσε να είναι τα αερολύματα - στερεά σωματίδια που περιέχονται στην ατμόσφαιρα. Ωστόσο, σύμφωνα με τους ερευνητές της JPL, οι επιστήμονες δεν ήξεραν πώς θα μπορούσαν να σχηματίσουν αερολύματα στις ζεστές ατμόσφαιρες του Δία. Μόνο σε ένα νέο πείραμα το θερμό χημικό μίγμα εκτέθηκε σε υπεριώδη ακτινοβολία.

Ο Benjamin Fleury, ερευνητής και επικεφαλής συγγραφέας της JPL

"Αυτό το αποτέλεσμα αλλάζει τον τρόπο που ερμηνεύουμε την ομίχλη, ζεστή ατμόσφαιρα του Δία. Στο μέλλον θέλουμε να μελετήσουμε τις ιδιότητες αυτών των αερολυμάτων. Θέλουμε να κατανοήσουμε καλύτερα πώς σχηματίζονται, πώς απορροφούν το φως και πώς αντιδρούν στις αλλαγές στο περιβάλλον. Όλες αυτές οι πληροφορίες μπορούν να βοηθήσουν τους αστρονόμους να καταλάβουν τι βλέπουν ενώ παρακολουθούν αυτούς τους πλανήτες. "

Βρέθηκαν υδρατμοί

Η μελέτη έφερε επίσης μια άλλη έκπληξη: οι χημικές αντιδράσεις παρήγαγαν σημαντικές ποσότητες διοξειδίου του άνθρακα και νερού. Παρατηρήθηκαν υδρατμοί στις θερμές ατμόσφαιρες του Δία, ενώ οι επιστήμονες αναμένουν ότι αυτό το σπάνιο μόριο θα παράγεται μόνο όταν υπάρχει περισσότερο οξυγόνο από τον άνθρακα. Μια νέα μελέτη έδειξε ότι το νερό μπορεί να σχηματιστεί ακόμα και όταν ο άνθρακας και το οξυγόνο είναι παρόντες στην ίδια αναλογία. (Το μονοξείδιο του άνθρακα περιέχει ένα άτομο άνθρακα και ένα άτομο οξυγόνου). Ενώ το διοξείδιο του άνθρακα (ένα άτομο άνθρακα και δύο άτομα οξυγόνου) παράχθηκε χωρίς πρόσθετη υπεριώδη ακτινοβολία, οι αντιδράσεις επιταχύνθηκαν με την προσθήκη προσομοιωμένου φωτός αστέρα.

Ο Mark Swain, ένας εξωπλανήτης επιστήμονας στο JPL, και συν-συγγραφέας της μελέτης λέει:

"Αυτά τα νέα αποτελέσματα είναι άμεσα εφαρμόσιμα στην ερμηνεία αυτού που βλέπουμε στις ζεστές ατμόσφαιρες του Δία. Υποθέσαμε ότι σε αυτές τις ατμόσφαιρες, οι χημικές αντιδράσεις επηρεάστηκαν περισσότερο από τη θερμοκρασία, αλλά τώρα φαίνεται ότι πρέπει να εξεταστεί ο ρόλος της ακτινοβολίας. "

Με τις συσκευές επόμενης γενιάς, όπως το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb της NASA, που ξεκίνησε για κυκλοφορία στο 2021, οι επιστήμονες θα μπορούσαν να δημιουργήσουν τα πρώτα λεπτομερή χημικά προφίλ της εξωπλανητικής ατμόσφαιρας. Και είναι πιθανό ότι ένας από τους πρώτους θα είναι μόνο εκείνοι γύρω από τον καυτό Δία. Αυτές οι μελέτες θα βοηθήσουν τους επιστήμονες να καταλάβουν πώς διαμορφώνονται τα άλλα ηλιακά συστήματα και πόσο παρόμοια ή διαφορετικά είναι αυτά μας.

Για τους ερευνητές της JPL μόλις άρχισαν οι εργασίες. Σε αντίθεση με ένα τυπικό φούρνο, είναι ερμητικά σφραγισμένο για την αποφυγή διαρροής αερίου ή μόλυνσης, επιτρέποντας έτσι στους επιστήμονες να ελέγχουν την πίεση τους με αυξανόμενη θερμοκρασία. Με αυτό τον εξοπλισμό μπορούν τώρα να προσομοιώσουν εξωπλανητικές ατμόσφαιρες σε ακόμη υψηλότερες θερμοκρασίες φτάνοντας μέχρι και 1600 ° C (3000 ° F).

Bryana Henderson, συν-συγγραφέας μιας μελέτης JPL

"Αποτελεί μόνιμη πρόκληση να σχεδιάσουμε και να λειτουργήσουμε με επιτυχία αυτό το σύστημα. Τα περισσότερα τυποποιημένα εξαρτήματα, όπως το γυαλί ή το αλουμίνιο, θα λιώσουν σε τέτοιες υψηλές θερμοκρασίες. Διαρκώς μαθαίνουμε πώς να ωθούμε τα όρια και ταυτόχρονα να προσομοιώνουμε με ασφάλεια αυτές τις χημικές διεργασίες στο εργαστήριο. Αλλά στο τέλος, τα συναρπαστικά αποτελέσματα που μας φέρνουν τα πειράματα αξίζουν όλη την πρόσθετη εργασία και προσπάθεια. "