Як «приготувати» космічну атмосферу на Землі

12. 04. 2019
6-та міжнародна конференція екзополітики, історії та духовності

Дослідники лабораторії реактивного руху НАСА в Пасадені, штат Каліфорнія, «готують» позаземну атмосферу прямо тут, на Землі. У новому дослідженні дослідники JPL використовували високотемпературну "піч" для нагрівання суміші водню та окису вуглецю до температури понад 1 ° C (100 ° F), що дорівнює температурі розплавленої лави. Метою було імітувати умови, які можна було знайти в атмосфері особливого типу екзопланети (планети поза нашою Сонячною системою), яка називається "гарячі Юпітери".

Юпітер = космічні гіганти

Гарячі Юпітори є газовими гігантами, що обертаються на орбіті, на відміну від планет нашої Сонячної системи, дуже близько до їх батьківської зірки. Хоча Земля обертається навколо Сонця 365 днів, гарячі Юпітери циркулюють навколо своїх зірок менш ніж за 10 днів. Ця коротка відстань від зірок означає, що їх температура може досягати 530 до 2 800 ° C (1 000 до 5 000 ° F) або навіть більше. Для порівняння, гарячий день на поверхні Меркурія (який обертається навколо Сонця в 88 днів) досягає температури близько 430 ° C (800 ° F).

Головний науковий співробітник JPL Murthy Gudipati, лідер групи, що провів нове дослідження минулого місяця в Astrophysical Journal, говорить:

"Точне лабораторне моделювання суворого середовища цих екзопланет неможливе, але ми можемо наслідувати його дуже тісно".

Команда розпочала роботу з простою хімічною сумішшю в основному газоподібного водню та газу окису вуглецю 0,3. Ці молекули дуже поширені у Всесвіті і ранніх сонячних системах, і тому логічно вони могли б створити атмосферу гарячого Юпітера. Потім суміш нагрівали до 330 до 1 230 ° C (620 до 2 240 ° F).

Вчені також піддають цій лабораторній суміші високі дози ультрафіолетового випромінювання - подібно до того, що може вплинути на гарячий Юпітер, що обертається навколо своєї батьківської зірки. Показано, що УФ світло є активним інгредієнтом. Його дії багато в чому сприяли дивовижним результатам дослідження хімічних явищ, які можуть мати місце в гарячій атмосфері.

Гарячий Юпітер

Гарячі Юпітери вважаються великими планетами і випромінюють більше світла, ніж простіші планети. Ці фактори дозволили астрономам дізнатися більше про свою атмосферу, ніж більшість інших типів екзопланет. Спостереження показали, що багато атмосфер Юпітера непрозорі на великих висотах. Хоча непрозорість може бути частково виправдана хмарами, ця теорія втрачає свої позиції зі зниженням тиску. Дійсно, непрозорість спостерігалася там, де атмосферний тиск дуже низький.

Малий сапфіровий диск на правій малюнку показує органічні аерозолі, що утворюються всередині високотемпературної печі. Лівий диск не використовується. Джерело зображення: NASA / JPL-Caltech

Тому вчені шукали інше можливе пояснення, і одним з них могли бути аерозолі - тверді частинки, що містяться в атмосфері. Однак, на думку дослідників JPL, вчені не знали, як можуть утворитися аерозолі в гарячій атмосфері Юпітера. Лише в новому експерименті гаряча хімічна суміш піддалася УФ-випромінюванню.

Бенджамін Флері, дослідник і провідний автор JPL

"Цей результат змінює спосіб інтерпретації туманної жаркої атмосфери Юпітера. Надалі ми хочемо вивчити властивості цих аерозолів. Ми хочемо краще зрозуміти, як вони формуються, як вони поглинають світло і як реагують на зміни в навколишньому середовищі. Вся ця інформація може допомогти астрономам зрозуміти, що вони бачать, спостерігаючи ці планети. "

Знайдено водяний пар

Дослідження також принесло ще один сюрприз: хімічні реакції викликали значні кількості вуглекислого газу та води. Водяний пар був знайдений в гарячій атмосфері Юпітера, в той час як вчені очікували, що ця рідкісна молекула буде продукуватися тільки тоді, коли буде більше кисню, ніж вуглецю. Нове дослідження показало, що вода може бути сформована навіть тоді, коли вуглець і кисень присутні в однаковому співвідношенні. (Окис вуглецю містить один атом вуглецю і один атом кисню). Хоча діоксид вуглецю (один атом вуглецю і два атоми кисню) виробляється без додаткового УФ-випромінювання, реакції прискорюються з додаванням симулированного світла зірки.

Марк Суєн, вчений з екзопланети в JPL, і співавтор дослідження говорить:

"Ці нові результати можна одразу використати для інтерпретації того, що ми бачимо в жаркій атмосфері Юпітера. Ми припустили, що в цих атмосферах на хімічні реакції найбільше впливає температура, але тепер виявляється, що нам також потрібно поглянути на роль випромінювання ".

З пристроями нового покоління, такими як космічний телескоп Джеймса Вебба в NASA, запущений для запуску в 2021, вчені могли б створити перші детальні хімічні профілі екзопланетної атмосфери. І не виключено, що один з перших буде тільки тим, хто навколо гарячого Юпітера. Ці дослідження допоможуть вченим зрозуміти, як формуються інші сонячні системи і наскільки вони подібні або різні.

Для JPL дослідники тільки почали роботу. На відміну від типової печі, вона герметично закривається для запобігання витоку газу або забруднення, що дозволяє вченим контролювати його тиск з підвищенням температури. За допомогою цього обладнання вони тепер можуть імітувати екзопланетну атмосферу при ще більш високих температурах, що досягають до 1600 ° C (3000 ° F).

Бряна Хендерсон, співавтор дослідження JPL

"Це постійний виклик для успішного проектування та експлуатації цієї системи. Це пояснюється тим, що більшість стандартних компонентів, таких як скло або алюміній, плавляться при таких високих температурах. Ми постійно вчимося пересувати межі, безпечно моделюючи ці хімічні процеси в лабораторії. Врешті-решт, вражаючі результати, які приносять експерименти, варті всієї додаткової роботи та зусиль ".

Подібні статті