Extrem heiße Exoplaneten können extremes Wetter haben, wie Wolken aus Aluminiumoxid und Titanregen

Dank des Erfolgs der Kepler-Mission wissen wir, dass es eine Vielzahl von Exoplaneten des Typs „Hot Jupiters“ gibt. Das sind Gasriesen, die ihre Sterne so nah umkreisen, dass sie extrem hohe Temperaturen erreichen. Sie haben auch exotische Atmosphären, und diese Atmosphären enthalten viel Seltsames, wie Wolken aus Aluminiumoxid und Titanregen.

Ein Team von Astronomen hat einen Wolkenatlas für Heiße Jupiter erstellt, der detailliert aufzeigt, welche Arten von Wolken und Atmosphären wir sehen werden, wenn wir verschiedene Heiße Jupiter beobachten.

Obwohl alle Hot Jupiter ähnlich sind, weisen sie einige Unterschiede auf. Und diese Unterschiede können bestimmen, was wir in ihren Atmosphären sehen werden, insbesondere in den nächsten Jahren, da wir leistungsfähigere Teleskope entwickeln, um sie zu beobachten.

„Die Arten von Wolken, die in diesen heißen Atmosphären vorkommen können, sind Dinge, die wir uns nicht wirklich als Wolken im Sonnensystem vorstellen.“

Peter Gao, Hauptautor, U of C Berkeley

Die obere Massengrenze für einen heißen Jupiter liegt bei etwa 13,6 Jupitermassen. Darüber hinaus würde es Deuterium verschmelzen und wäre ein Brauner Zwerg. Ihre Umlaufzeit beträgt zwischen 1,2 und 111 Erdtagen, und die Umlaufbahnen sind nahezu kreisförmig mit geringer Exzentrizität. Viele Heiße Jupiter haben eine geringe Dichte und sind durch Gezeiten an ihren Stern gebunden. Sie sind selten bei Roten Zwergsternen, bei F- und G-Typ-Sternen üblich und bei K-Typ-Sternen seltener.

Ein Grund, warum wir so viele heiße Jupiter kennen, ist, dass sie so leicht zu erkennen sind. Wenn sie Transit vor ihren Sternen blockieren sie viel mehr Licht als kleinere Planeten. Und da ihre Umlaufzeiten so kurz sind, ist die Wahrscheinlichkeit, dass wir einen beim Transit erwischen, ziemlich hoch.

Da heiße Jupiter so leicht zu finden sind und ausgezeichnete Kandidaten für die atmosphärische Beobachtung mit zukünftigen Teleskopen sind, hat ein Team von Astronomen für sie einen Wolkenatlas zusammengestellt. Dieser Atlas ist im Grunde ein Modell der verschiedenen Arten von Atmosphären und Wolken, die auf verschiedenen heißen Jupitern zu finden sind.

Vorhergesagte Wolkenhöhen und -zusammensetzungen für eine Reihe von Temperaturen, die auf heißen Jupiter-Planeten üblich sind. Der Bereich in Kelvin entspricht ungefähr 800-3.500 Grad Fahrenheit oder 427-1.927 Grad Celsius. (UC Berkeley-Bild von Peter Gao)

Das Astronomenteam kommt aus Kanada, Großbritannien und den USA. Hauptautor ist Peter Gao, Postdoc an der University of California, Berkeley. Der Titel der Arbeit lautet „ Aerosolzusammensetzung heißer riesiger Exoplaneten, die von Silikaten und Kohlenwasserstoffnebeln dominiert werden .“ Es wurde in der Zeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht.

Die Idee hinter der Studie besteht darin, die Atmosphären der heißen Jupiter zu katalogisieren. Wie die Autoren in der Studie schreiben: „Aerosole sind in der Atmosphäre von Exoplaneten über einen weiten Bereich von Temperaturen, Massen und Altern hinweg verbreitet. Diese Aerosole haben einen starken Einfluss auf die Beobachtung von durchgelassenem, reflektiertem und emittiertem Licht von Exoplaneten und verschleiern unser Verständnis der thermischen Struktur und Zusammensetzung von Exoplaneten.“

Das Verständnis der Aerosole in heißen Jupiteratmosphären wird Astronomen bei der zukünftigen Beobachtung dieser Atmosphären einen Vorsprung verschaffen. „Die Kenntnis der vorherrschenden Aerosolzusammensetzung würde die Interpretation von Exoplanetenbeobachtungen und das theoretische Verständnis ihrer Atmosphären erleichtern“, schreiben sie. Ihre Arbeit ist auch für Welten in unserem eigenen Sonnensystem relevant, wie die kühleren Gasriesen Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun und Monde wie Titan, das von einer dicken, dunstigen Atmosphäre dominiert wird.

Dieses von der Raumsonde Cassini aufgenommene Echtfarbenbild von Titan zeigt die dichte, dunstige Atmosphäre des Mondes. Obwohl sich diese Studie hauptsächlich mit den Atmosphären heißer Jupiter befasst, erstreckt sie sich auch auf andere Körper mit bedeutenden Atmosphären wie Titan. Bildnachweis: NASA

Laut den Autoren dominiert eine Art von Wolken die Atmosphären von Gias-Riesen, egal ob es sich um heiße Jupiter oder kühlere Riesen handelt. Diese Atmosphäre enthält „flüssige oder feste Tröpfchen von Silizium und Sauerstoff, wie geschmolzener Quarz oder geschmolzener Sand“.

„Die Arten von Wolken, die in diesen heißen Atmosphären existieren können, sind Dinge, die wir uns nicht wirklich als Wolken im Sonnensystem vorstellen“, sagte Hauptautor Peter Gao in a Pressemitteilung . „Es gab Modelle, die verschiedene Zusammensetzungen vorhersagen, aber der Zweck dieser Studie bestand darin, zu beurteilen, welche dieser Zusammensetzungen tatsächlich von Bedeutung sind, und das Modell mit den verfügbaren Daten zu vergleichen, die wir haben.“

Atmosphären von Exoplaneten – und wirklich alles, was mit Exoplaneten zu tun hat – sind jetzt ein heißes Thema in der Astronomie, und das seit etwa einem Jahrzehnt. Astronomen konnten diese Atmosphären beim Durchdringen des Sternenlichts beobachten und einige Fakten über ihre Zusammensetzung ermitteln.

2019 fanden Wissenschaftler beispielsweise Wasserdampf – vielleicht sogar Regen – in der Atmosphäre eines Exoplaneten. Im Jahr 2020 entdeckten Forscher Beweise für geschmolzener Eisenregen in der Atmosphäre auf der Nachtseite eines von Gezeiten umschlossenen Exoplaneten. Und im Oktober 2013 fanden Astronomen Hinweise auf eine Wolkendecke auf einem der ersten Exoplaneten, die von der Raumsonde Kepler entdeckt wurden. Kepler 7b .

Wolkenkarte von Kepler-7b (links) im Vergleich zu Jupiter (rechts). Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech/MIT

Aber für jeden Exoplaneten, der seine atmosphärischen Geheimnisse der Spektroskopie preisgibt, gibt es einen anderen, dessen Wolkendecke so dick ist, dass die Spektroskopie nicht funktioniert. Es gibt so viele Wolken, dass Sternenlicht sie überhaupt nicht durchdringt. Dies hindert Astronomen daran, die tieferen Schichten der Atmosphäre zu untersuchen, in denen Hinweise auf den Planeten verborgen sind.

„Wir haben viele Wolken gefunden: einige Arten von Partikeln – keine Moleküle, sondern kleine Tröpfchen – die in diesen Atmosphären hängen“, sagte Gao. „Wir wissen nicht wirklich, woraus sie bestehen, aber sie verunreinigen unsere Beobachtungen und erschweren es uns im Wesentlichen, die Zusammensetzung und Häufigkeit wichtiger Moleküle wie Wasser und Methan zu beurteilen.“

Exoplaneten-Wissenschaftler haben versucht zu verstehen und zu erklären, was sie sehen, was diese Tröpfchen sind. Sie haben Aluminiumoxide wie Korund modelliert, den Stoff aus Rubinen und Saphiren; geschmolzenes Salz, wie Kaliumchlorid; Siliziumoxide oder Silikate, wie Quarz, der Hauptbestandteil von Sand; Sulfide von Mangan oder Zink, die als Gesteine ​​auf der Erde vorkommen; und organische Kohlenwasserstoffverbindungen.

Und laut Gao könnten diese exotischen Wolken flüssige oder feste Aerosole sein.

Die Modelle wurden von Modellen übernommen, die um die Erdatmosphäre herum entwickelt wurden, und dann auf Planeten wie Jupiter ausgeweitet, der eine turbulente Atmosphäre mit Methan- und Ammoniakwolken hat. Von dort aus erweiterten Gao und die anderen Autoren es um heiße Jupiter mit Temperaturen von bis zu 2500 Grad Celsius (4600 F; 2800 K).

Diese Künstleransicht zeigt den heißen Jupiter-Exoplaneten 51 Pegasi b, den prototypischen heißen Jupiter. 1997 war dies der erste Exoplanet, der um einen normalen Hauptreihenstern herum gefunden wurde. Zwanzig Jahre später fanden Astronomen Hinweise auf Wasser in seiner Atmosphäre. Bildnachweis: Von ESO/M. Kornmesser/Nick Risinger (skysurvey.org) – ESO-Website, CC BY 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=39719418

Ihr Ziel war es, verschiedene atmosphärische Gase verschiedener Atome oder Moleküle zu untersuchen, die zu Tröpfchen kondensieren, wie diese Tröpfchen wachsen oder verdampfen und wie sie durch Atmosphären transportiert werden können.

'Die Idee ist, dass die gleichen physikalischen Prinzipien die Bildung aller Arten von Wolken leiten', sagte Gao, der auch Schwefelsäurewolken auf der Venus modelliert hat. 'Was ich getan habe, ist, dieses Modell zu nehmen und es in den Rest der Galaxie zu bringen, damit es Silikatwolken und Eisenwolken und Salzwolken simulieren kann.'

Aber das ist nur die Modellierung. Sobald ein Modell entwickelt wurde, ist es an der Zeit, es beobachtend zu testen. Wir haben detaillierte atmosphärische Beobachtungen für etwa 70 Exoplaneten, und Gao und das Forscherteam verglichen ihr Modell mit 30 davon.

Ihre Ergebnisse schlossen einige der exotischeren Wolkentypen aus, die im Laufe der Jahre vorgeschlagen wurden. Das liegt daran, dass es zu viel Energie braucht, um sie zu verdichten. Aber andere Typen, wie Kieselerdewolken, kondensieren leicht. Gao und das Team fanden heraus, dass Silicawolken über einen ziemlich breiten Temperaturbereich dominieren: 1100 Kelvin, von etwa 900 K bis 2000 K.

Künstlerisches Konzept des heißen Jupiter WASP-121b, das den bisher besten Beweis für eine Stratosphäre auf einem Exoplaneten darstellt. Es ist heiß genug, um einige Metalle zu kochen, und Wissenschaftler fanden Hinweise auf Eisen, Vanadiumoxid und Titanoxid in seiner Stratosphäre. Bildnachweis: Bristol Science Centre/Universität Exeter

Sie fanden auch heraus, dass im heißesten der heißen Jupiter Aluminiumoxide und Titanoxide zu Wolken auf hoher Ebene kondensieren, während sich diese Wolken auf Exoplaneten mit kühlerer Atmosphäre tiefer im Planeten bilden und von höheren Silikatwolken verdeckt werden. Wenn die Planeten noch kühler sind, bilden sich dieselben Silikatwolken noch tiefer und lassen die obere Atmosphäre klar.

Als Ergebnis ihrer Ergebnisse sagt Gao, dass die besten heißen Jupiter für atmosphärische Studien in zwei Temperaturbereichen liegen: Eine Bereichsgruppe liegt zwischen 900 K und 1400 K und die andere liegt über 2200 K. In beiden Temperaturbereichen ist die obere Atmosphäre klar und ermöglicht detaillierte Beobachtungen der Atmosphären.

„Das Vorhandensein von Wolken wurde bereits in einer Reihe von Exoplaneten-Atmosphären gemessen, aber wenn wir gemeinsam eine große Probe betrachten, können wir die Physik und Chemie in den Atmosphären dieser Welten unterscheiden“, sagte Co-Autorin Hannah Wakeford , Astrophysiker an der University of Bristol in Großbritannien „Die vorherrschende Wolkenart ist so verbreitet wie Sand – im Wesentlichen ist es Sand – und es wird wirklich aufregend sein, die spektralen Signaturen der Wolken selbst zum ersten Mal mit messen zu können das kommende James-Webb-Weltraumteleskop (JWST).“

Wenn es so aussieht, als hätten wir lange auf den Start des JWST gewartet, haben wir es getan! Dieses Ding wird eine riesige Honey-Do-Liste haben, wenn es das erste Licht erblickt. Bildquelle: NASA

Wenn das JWST startet, wird es eine Reihe von Bereichen in der Astronomie, Kosmologie und anderen Bereichen der Weltraumwissenschaft stark ankurbeln. Es wird die Macht haben, die Atmosphären von Exoplaneten genau zu untersuchen. Aber es wird auch in der Lage sein, sein leistungsstarkes Infrarotauge auf Welten zu richten, die näher an seinem Zuhause sind, wie zum Beispiel Jupiter. Wir werden möglicherweise feststellen, dass einige der in dieser Arbeit beschriebenen exotischen Wolkentypen in der tiefen Atmosphäre des Jupiter existieren.

Es gibt eine Schwäche dieser Studie, die die Autoren im Voraus anerkennen. Ihr Modell berücksichtigt nicht die Unterschiede zwischen Tag und Nacht, obwohl Hot Jupiters normalerweise an ihre Sterne gebunden sind. Sie schreiben: „Ein Vorbehalt unserer Studie ist, dass wir bei der Verwendung eindimensionaler Modelle die Dreidimensionalität warmer riesiger Exoplaneten nicht berücksichtigen, die wahrscheinlich durch Gezeiten an ihre Wirtssterne gebunden sind.“

Dies kann jedoch insgesamt keine großen Auswirkungen auf die Ergebnisse ihrer Arbeit haben. Wie die Autoren schreiben: „Es ist jedoch unwahrscheinlich, dass diese Effekte unsere Schlussfolgerungen wesentlich beeinflussen, da das bei der Übertragung beobachtete terminatorgemittelte Temperaturprofil dem global gemittelten Profil, das wir in unserer Modellierung verwenden, ähnlicher sein sollte als das extremere Tag-und Nachtseitenprofile.“

In Zukunft wollen Gao und seine Kollegen ihr Modell an weiteren Exoplaneten-Beobachtungen testen. „Da es Tausende von Exoplaneten im Vergleich zu nur einem Jupiter gibt, können wir eine Reihe von ihnen untersuchen und sehen, was der Durchschnitt ist und wie er im Vergleich zu Jupiter abschneidet“, sagte Gao. Sie beabsichtigen auch, einige Braune Zwerge zu untersuchen. Braune Zwerge sind im Wesentlichen Gasriesen, die so massiv sind, dass sie fast Sterne sind, und auch sie haben Atmosphären und Wolken .

„Bei der Untersuchung planetarischer Atmosphären im Sonnensystem haben wir normalerweise den Kontext von Bildern. Mit Exoplaneten haben wir kein solches Glück. Sie sind nur Punkte oder Schatten“, sagte Jonathan Fortney von der UC Santa Cruz. „Das ist ein enormer Informationsverlust. Aber was wir ausgleichen müssen, ist eine viel größere Stichprobengröße. Und das ermöglicht uns, nach Trends zu suchen – hier nach einem Trend der Bewölkung – bei der planetarischen Temperatur, etwas, das wir in unserem Sonnensystem einfach nicht haben.“

Mehr:

• Pressemitteilung: Astronomen erstellen Wolkenatlas für heiße, jupiterähnliche Exoplaneten
• Forschungsbericht: Aerosolzusammensetzung heißer riesiger Exoplaneten, die von Silikaten und Kohlenwasserstoffnebeln dominiert werden
• Universum heute: Dieser Planet ist so Metal. Eisen- und Titandampf in der Atmosphäre eines „ultraheißen Jupiters“ gefunden