Wie man die kosmische Atmosphäre auf der Erde "kocht"

19799x 12. 04. 2019

Die NASA-Forscher im Jet Propulsion Laboratory im kalifornischen Pasadena "kochen" die extraterrestrische Atmosphäre hier auf der Erde. In einer neuen Studie verwendeten die Wissenschaftler von JPL einen Hochtemperatur- "Ofen", um ein Gemisch aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid auf mehr als 1 100 ° C (2000 ° F) zu erhitzen, was der Lava-Temperatur entspricht. Ziel war es, Bedingungen zu simulieren, die in der Atmosphäre einer bestimmten Art von Exoplaneten (den Planeten außerhalb unseres Sonnensystems) vorkommen können, die als "heiße Jupiter" bezeichnet werden.

Jupiter = Weltraumgiganten

Hot Jupitors sind Gasgiganten, die sich im Gegensatz zu den Planeten unseres Sonnensystems sehr nahe an ihrem Mutterstern bewegen. Während die Erde die 365-Tage der Sonne umkreist, zirkulieren die heißen Jupitoren weniger als 10-Tage um ihre Sterne. Diese kurze Entfernung von Sternen bedeutet, dass ihre Temperaturen 530 bis 2 800 ° C (1 000 bis 5 000 ° F) oder sogar mehr erreichen können. Im Vergleich dazu erreicht ein heißer Tag auf der Oberfläche von Quecksilber (der die Sonne in 88-Tagen umkreist) eine Temperatur von etwa 430 ° C (800 ° F).

Der Chefwissenschaftler JPL Murthy Gudipati, Leiter der Gruppe, die letzten Monat eine neue Studie im Astrophysical Journal durchgeführt hat, sagt:

"Eine genaue Laborsimulation der rauen Umgebung dieser Exoplaneten ist nicht möglich, aber wir können sie sehr genau nachahmen."

Das Team begann mit einer einfachen chemischen Mischung aus hauptsächlich Wasserstoffgas und 0,3-Kohlenmonoxidgas. Diese Moleküle sind im Universum und in frühen Sonnensystemen sehr häufig und könnten daher logischerweise die Atmosphäre von heißem Jupiter erzeugen. Die Mischung wurde dann auf 330 bis 1 230 ° C (620 bis 2 240 ° F) erhitzt.

Wissenschaftler haben diese Labormischung auch hohen Dosen ultravioletter Strahlung ausgesetzt - ähnlich wie der heiße Jupiter, der seinen Stammstern umkreist. Es wurde gezeigt, dass UV-Licht ein Wirkstoff ist. Seine Aktionen haben wesentlich zu den überraschenden Ergebnissen einer Studie über chemische Phänomene beigetragen, die in heißen Atmosphären stattfinden können.

Heißer Jupiter

Heiße Jupiter gelten als großartige Planeten und strahlen mehr Licht aus als kühlere Planeten. Diese Faktoren haben es Astronomen ermöglicht, mehr über ihre Atmosphäre zu erfahren als die meisten anderen Arten von Exoplaneten. Beobachtungen haben gezeigt, dass viele Jupiter-Atmosphären in großen Höhen undurchsichtig sind. Obwohl die Trübung durch Wolken teilweise gerechtfertigt werden kann, verliert diese Theorie mit abnehmendem Druck an Boden. In der Tat wurde Opazität beobachtet, wenn der Atmosphärendruck sehr niedrig ist.

Die kleine Saphirscheibe in der rechten Abbildung zeigt organische Aerosole, die im Hochtemperaturofen gebildet wurden. Linke Festplatte wird nicht verwendet. Bildquelle: NASA / JPL-Caltech

Die Wissenschaftler suchten also nach einer anderen möglichen Erklärung, und eine davon könnte Aerosole sein - feste Partikel in der Atmosphäre. Laut den JPL-Forschern wussten die Wissenschaftler jedoch nicht, wie sich Aerosole in heißen Atmosphären von Jupiter bilden können. Erst in einem neuen Experiment wurde das heiße chemische Gemisch UV-Strahlung ausgesetzt.

Benjamin Fleury, Forscher und Hauptautor von JPL

„Dieses Ergebnis ändert die Art und Weise, wie wir die dunstige heiße Atmosphäre von Jupiter interpretieren. In Zukunft wollen wir die Eigenschaften dieser Aerosole untersuchen. Wir möchten besser verstehen, wie sie Licht formen, absorbieren und auf Umweltveränderungen reagieren. Alle diese Informationen können Astronomen dabei helfen zu verstehen, was sie bei der Beobachtung dieser Planeten sehen. "

Wasserdampf gefunden

Die Studie brachte auch eine weitere Überraschung mit sich: Bei chemischen Reaktionen entstanden erhebliche Mengen an Kohlendioxid und Wasser. In den heißen Atmosphären von Jupiter wurde Wasserdampf gefunden, während die Wissenschaftler erwarteten, dass dieses seltene Molekül nur produziert wird, wenn mehr Sauerstoff als Kohlenstoff vorhanden ist. Eine neue Studie hat gezeigt, dass Wasser auch dann gebildet werden kann, wenn Kohlenstoff und Sauerstoff im gleichen Verhältnis vorliegen. (Kohlenmonoxid enthält ein Kohlenstoffatom und ein Sauerstoffatom.) Während Kohlendioxid (ein Kohlenstoffatom und zwei Sauerstoffatome) ohne zusätzliche UV-Strahlung erzeugt wurde, beschleunigten die Reaktionen mit der Zugabe von simuliertem Sternenlicht.

Mark Swain, Exoplanet-Wissenschaftler von JPL, und Mitautor der Studie sagt:

„Diese neuen Ergebnisse sind sofort hilfreich für die Interpretation dessen, was wir in der heißen Jupiter-Atmosphäre sehen. Wir gingen davon aus, dass chemische Reaktionen in diesen Atmosphären am stärksten von der Temperatur beeinflusst werden, aber jetzt müssen wir uns die Rolle der Strahlung ansehen. “

Mit Geräten der nächsten Generation wie dem James Webb-Weltraumteleskop der NASA, das zur Markteinführung in 2021 eingeführt wurde, konnten Wissenschaftler die ersten detaillierten chemischen Profile exoplanetärer Atmosphären erstellen. Und es ist möglich, dass einer der ersten nur diejenigen um den heißen Jupiter sein wird. Diese Studien werden Wissenschaftlern helfen zu verstehen, wie andere Sonnensysteme geformt werden und wie ähnlich oder verschieden sie unseren sind.

Für JPL-Forscher hat die Arbeit gerade erst begonnen. Im Gegensatz zu einem typischen Ofen ist er hermetisch abgedichtet, um das Austreten von Gas oder Verunreinigungen zu verhindern, sodass Wissenschaftler den Druck bei steigender Temperatur kontrollieren können. Mit diesem Gerät können sie jetzt exoplanetare Atmosphären bei noch höheren Temperaturen bis zu 1600 ° C (3000 ° F) simulieren.

Bryana Henderson, Co-Autorin einer JPL-Studie

„Es ist eine ständige Herausforderung, dieses System erfolgreich zu entwickeln und zu betreiben. Die meisten Standardkomponenten wie Glas oder Aluminium schmelzen bei so hohen Temperaturen. Wir lernen ständig, wie man die Grenzen überschreitet und diese chemischen Prozesse sicher im Labor simuliert. Aber am Ende sind die aufregenden Ergebnisse, die uns die Experimente bringen, die zusätzliche Arbeit und Mühe wert. “

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