Izjemno vroči eksoplaneti imajo lahko ekstremno vreme, kot so oblaki aluminijevega oksida in titanovega dežja
Zahvaljujoč uspehu misije Kepler vemo, da obstaja veliko eksoplanetov vrste, imenovane »Vroči Jupitri«. To so plinski velikani, ki krožijo tako blizu svojih zvezd, da dosežejo izjemno visoke temperature. Imajo tudi eksotične atmosfere, ki vsebujejo veliko nenavadnosti, kot so oblaki iz aluminijevega oksida in titanov dež.
Skupina astronomov je ustvarila atlas oblakov za vroče Jupitre, ki podrobno opisuje, katere vrste oblakov in atmosfere bomo videli, ko bomo opazovali različne vroče Jupitre.
Čeprav so si vsi vroči Jupitri podobni, kažejo nekatere razlike. In te razlike lahko narekujejo, kaj bomo videli v njihovih atmosferah, zlasti v naslednjih nekaj letih, ko bomo razvijali zmogljivejše teleskope, s katerimi jih bomo opazovali.
'Vrste oblakov, ki lahko obstajajo v tem vročem ozračju, so stvari, ki jih v resnici ne mislimo kot oblake v sončnem sistemu.'
Peter Gao, glavni avtor, U of C Berkeley
Zgornja meja mase za vroč Jupiter je približno 13,6 mase Jupitra. Nad tem bi zlil devterij in bi bil rjavi škrat. Njihova orbitalna doba je med 1,2 in 111 zemeljskimi dnevi, orbite pa so skoraj krožne, z nizko ekscentričnostjo. Številni vroči Jupitri imajo nizko gostoto in so plimsko pritrjeni na svojo zvezdo. Redke so okoli zvezd rdeče pritlikave, pogoste okoli zvezd tipa F in G in manj pogoste okoli zvezd tipa K.
Eden od razlogov, zakaj poznamo toliko vročih Jupitrov, je, da jih je tako enostavno zaznati. Ko so tranzit pred svojimi zvezdami blokirajo veliko več svetlobe kot manjši planeti. In ker so njihova orbitalna obdobja tako kratka, je verjetnost, da bi enega ujeli med prehodom, med gledanjem precej velika.
Ker je vroče Jupiterje tako enostavno najti in so odlični kandidati za opazovanje atmosfere s prihodnjimi teleskopi, je skupina astronomov zanje sestavila atlas oblakov. Ta atlas je v bistvu model različnih vrst atmosfere in oblakov, ki jih najdemo na različnih vročih Jupiterjih.
Napovedane višine in sestave oblakov za razpon temperatur, ki so običajne na vročih planetih Jupitra. Razpon v Kelvinu ustreza približno 800-3.500 stopinj Fahrenheita ali 427-1.927 stopinj Celzija. (slika UC Berkeley Peter Gao)
Ekipa astronomov je iz Kanade, Združenega kraljestva in ZDA. Glavni avtor je Peter Gao, podoktorski sodelavec na kalifornijski univerzi Berkeley. Naslov prispevka je » Sestava aerosola vročih velikanskih eksoplanetov, v katerih prevladujejo silikati in ogljikovodikove meglice .” Objavljena je v reviji Nature Astronomy.
Ideja študije je katalogizirati vrsto atmosfere, ki jo imajo vroče Jupite. Kot pišejo avtorji v študiji, 'aerosoli so pogosti v atmosferi eksoplanetov v širokem razponu temperatur, mas in starosti. Ti aerosoli močno vplivajo na opazovanje oddane, odbite in oddane svetlobe z eksoplanetov, kar zamegljuje naše razumevanje toplotne strukture in sestave eksoplanetov.
Razumevanje aerosolov v ozračju vročega Jupitra bo astronomom dalo prednost pri opazovanju teh atmosfer v prihodnosti. 'Poznavanje prevladujoče aerosolne sestave bi olajšalo interpretacijo opazovanj eksoplanetov in teoretično razumevanje njihove atmosfere,' pišejo. Njihovo delo je pomembno tudi za svetove v našem Osončju, kot so hladnejši plinski velikani Jupiter, Saturn, Uran in Neptun, in lune, kot je Titan, v katerem prevladuje gosto, megleno ozračje.
Ta resnična slika Titana, ki jo je posnelo vesoljsko plovilo Cassini, prikazuje gosto, megleno ozračje lune. Čeprav se ta študija večinoma ukvarja z atmosferami vročih Jupitrov, se razteza tudi na druga telesa s pomembno atmosfero, kot je Titan. Zasluge: NASA
Po mnenju avtorjev ena vrsta oblakov prevladuje v ozračju gias velikanov, pa naj gre za vroče Jupiterje ali hladnejše velikane. Ta atmosfera vsebuje 'tekoče ali trdne kapljice silicija in kisika, kot sta staljen kremen ali staljen pesek.'
'Vrste oblakov, ki lahko obstajajo v teh vročih atmosferah, so stvari, ki jih v resnici ne mislimo kot oblake v sončnem sistemu,' je dejal glavni avtor Peter Gao v izjava za javnost . 'Obstajali so modeli, ki predvidevajo različne sestave, toda smisel te študije je bil oceniti, katera od teh kompozicij je dejansko pomembna, in primerjati model z razpoložljivimi podatki, ki jih imamo.'
Atmosfere eksoplanetov - in res vse, kar je povezano z eksoplaneti - je zdaj vroča tema v astronomiji in je že približno desetletje. Astronomi so lahko pogledali te atmosfere, ko svetloba zvezd prehaja skozi njih, in ugotovili nekaj dejstev o njihovi sestavi.
Leta 2019 so na primer znanstveniki odkrili vodno paro – morda celo dež — v ozračju enega eksoplaneta. Leta 2020 so raziskovalci odkrili dokaze o dež iz staljenega železa v ozračju na nočni strani eksoplaneta, zaklenjenega s plimovanjem. Oktobra 2013 so astronomi našli dokaze o oblačnosti na enem od prvih eksoplanetov, ki jih je odkrilo vesoljsko plovilo Kepler, Kepler 7b .
Zemljevid oblakov Kepler-7b (levo) v primerjavi z Jupitrom (desno). Zasluge: NASA/JPL-Caltech/MIT
Toda za vsak eksoplanet, ki spektroskopiji razkrije svoje atmosferske skrivnosti, obstaja še en, katerega oblak je tako gost, da spektroskopija ne deluje. Oblaka je toliko, da zvezdna svetloba sploh ne bo šla skozi njega. To preprečuje astronomom, da bi preučili globlje plasti atmosfere, kjer so skriti namigi o planetu.
'Našli smo veliko oblakov: nekatere vrste delcev - ne molekule, ampak majhne kapljice - ki visijo v teh atmosferah,' je dejal Gao. 'V resnici ne vemo, iz česa so narejeni, vendar kontaminirajo naša opažanja, kar nam v bistvu otežuje oceno sestave in številčnosti pomembnih molekul, kot sta voda in metan.'
Eksoplanetski znanstveniki so poskušali razumeti in razložiti, kaj vidijo, kaj so te kapljice. Modelirali so aluminijeve okside, kot je korund, rubini in safirji; staljena sol, kot je kalijev klorid; silicijevi oksidi ali silikati, kot je kremen, glavna sestavina peska; sulfidi mangana ali cinka, ki obstajajo kot kamnine na Zemlji; in organske ogljikovodične spojine.
In po Gaojevem mnenju so lahko ti eksotični oblaki tekoči ali trdni aerosoli.
Modeli so bili prilagojeni iz modelov, razvitih okoli Zemljine atmosfere, nato pa razširjeni na planete, kot je Jupiter, ki ima turbulentno atmosfero, ki vsebuje oblake metana in amoniaka. Od tam so ga Gao in drugi avtorji razširili na vroče Jupiterje s temperaturami do 2500 Celzija (4600 F; 2800 K.)
Pogled tega umetnika prikazuje vroč eksoplanet Jupitra 51 Pegasi b, prototip vročega Jupitra. Leta 1997 je bil to prvi eksoplanet, ki so ga našli okoli normalne zvezde glavnega zaporedja. Dvajset let pozneje so astronomi odkrili dokaze o vodi v njegovi atmosferi. Avtor slike: ESO/M. Kornmesser/Nick Risinger (skysurvey.org) – spletno mesto ESO, CC BY 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=39719418
Njihov cilj je bil pogledati, kako se različni atmosferski plini različnih atomov ali molekul kondenzirajo v kapljice, kako te kapljice rastejo ali izhlapevajo in kako se lahko prenašajo skozi atmosfero.
'Ideja je, da isti fizični principi vodijo nastajanje vseh vrst oblakov,' je dejal Gao, ki je tudi modeloval oblake žveplove kisline na Veneri. 'To, kar sem naredil, je, da sem vzel ta model in ga prinesel v preostali del galaksije, tako da je lahko simuliral silikatne oblake in železne oblake in oblake soli.'
Ampak to je samo modeliranje. Ko je model razvit, je čas, da ga preizkusite z opazovanjem. Imamo podrobna opazovanja atmosfere za približno 70 eksoplanetov, Gao in skupina raziskovalcev pa so model primerjali s 30 od teh.
Njihovi rezultati so izključili nekatere bolj eksotične vrste oblakov, ki so bili predlagani v preteklih letih. To je zato, ker je za njihovo kondenzacijo potrebno preveč energije. Toda druge vrste, kot so oblaki silicijevega dioksida, zlahka kondenzirajo. Gao in ekipa sta ugotovila, da oblaki silicijevega dioksida prevladujejo v precej širokem temperaturnem območju: 1100 Kelvinov, od približno 900 K do 2000 K.
Umetnikov koncept vročega Jupitra WASP-121b, ki predstavlja najboljši dokaz o stratosferi na eksoplanetu. Je dovolj vroča, da lahko zavre nekatere kovine, znanstveniki pa so v stratosferi našli dokaze o železu, vanadijevem oksidu in titanovem oksidu. Zasluge: Znanstveni center Bristol/Univerza v Exeterju
Ugotovili so tudi, da se v najbolj vročih Jupiterjih aluminijevi oksidi in titanovi oksidi kondenzirajo v oblake visoke ravni, medtem ko se v eksoplanetih s hladnejšo atmosfero ti oblaki oblikujejo globlje v planetu in jih zakrivajo višji silikatni oblaki. Če so planeti še hladnejši, se ti isti silikatni oblaki oblikujejo še globlje, zaradi česar je zgornja atmosfera čista.
Kot rezultat njihovih ugotovitev, Gao pravi, da so najboljši vroči Jupitri za atmosfersko študijo v dveh temperaturnih območjih: ena skupina je med 900K in 1400K, druga pa je nad 2200 K. V obeh temperaturnih območjih je zgornja atmosfera jasno, ki omogoča podrobna opazovanja ozračja.
'Prisotnost oblakov je bila že prej izmerjena v številnih atmosferah eksoplanetov, toda ko skupaj pogledamo velik vzorec, lahko ločimo fiziko in kemijo v atmosferi teh svetov,' je dejala soavtorica Hannah Wakeford. , astrofizik na Univerzi v Bristolu v Združenem kraljestvu »Prevladujoča vrsta oblakov je tako pogosta kot pesek – v bistvu je pesek – in res bo vznemirljivo, če bomo lahko prvič izmerili spektralne podpise samih oblakov z prihajajoči vesoljski teleskop James Webb (JWST).
Če se zdi, da smo dolgo čakali na zagon JWST, smo! Ta stvar bo imela ogromen seznam medu, ko bo ugledala prvo luč. Avtor slike: NASA
Ko se bo JWST izstrelil, bo to velik zagon na številnih področjih astronomije, kozmologije in drugih področij vesoljske znanosti. Imel bo moč, da natančno preuči atmosfero eksoplanetov. Toda svoje močno infrardečo oko bo lahko usposobilo tudi na svetove, ki so bližje domu, kot je Jupiter. Morda bomo ugotovili, da nekateri eksotični tipi oblakov, opisani v tem delu, obstajajo v Jupitrovi globlji atmosferi.
V tej študiji je ena pomanjkljivost, ki jo avtorji že vnaprej priznavajo. Njihov model ne upošteva razlik med dnevom in nočjo, čeprav so vroči Jupiterji običajno plimsko vezani na svoje zvezde. Pišejo: »Opozorilo naše študije je, da z uporabo enodimenzionalnih modelov ne upoštevamo tridimenzionalnosti toplih velikanskih eksoplanetov, ki bodo verjetno plimsko pritrjeni na zvezde gostiteljice.«
Vendar pa to morda nima velikega splošnega vpliva na rezultate njihovega dela. Kot pišejo avtorji, je malo verjetno, da bodo ti učinki bistveno vplivali na naše zaključke, saj bi moral biti povprečni temperaturni profil, opažen pri prenosu, bolj podoben globalno povprečnemu profilu, ki ga uporabljamo pri modeliranju, kot pa bolj ekstremni dan in nočni profili.'
V prihodnosti nameravajo Gao in njegovi kolegi preizkusiti svoj model glede na več opazovanj eksoplanetov. 'Ker obstaja na tisoče eksoplanetov proti samo enemu Jupitru, jih lahko preučimo kup in vidimo, kakšno je povprečje in kako se to primerja z Jupitrom,' je dejal Gao. Nameravajo tudi preučevati nekaj rjavih palčkov. Rjavi palčki so v bistvu plinasti velikani, tako masivni, da so skoraj zvezde, in tudi oni, imajo ozračje in oblake .
»Pri preučevanju planetarnih atmosfer v sončnem sistemu običajno imamo kontekst slik. Z eksoplaneti nimamo te sreče. So samo pike ali sence,' je dejal Jonathan Fortney iz UC Santa Cruz. 'To je velika izguba informacij. Toda to, kar moramo nadomestiti, je veliko večja velikost vzorca. In to nam omogoča, da iščemo trende - tukaj je trend oblačnosti - s planetarno temperaturo, nekaj, česar preprosto nimamo razkošja v našem sončnem sistemu.'
Več:
- Izjava za javnost: Astronomi ustvarijo atlas oblakov za vroče eksoplanete, podobne Jupitru
- Raziskovalna naloga: Sestava aerosola vročih velikanskih eksoplanetov, v katerih prevladujejo silikati in ogljikovodikove meglice
- Vesolje danes: Ta planet je tako kovinski. Hlapi železa in titana, najdeni v ozračju 'ultra vročega Jupitra'