Jätteplaneter i vårt solsystem och cirkulerande andra stjärnor har exotiska moln som inte liknar något annat på jorden, och gasjättarna som kretsar nära sina stjärnor – så kallade heta Jupiters – skryter med de mest extrema.

Ett team av astronomer från USA, Kanada och Storbritannien har nu kommit med en modell som förutsäger vilka av de många typerna av föreslagna moln, från safir till smoggy metanhaze, att förvänta sig på heta Jupiters med olika temperaturer, upp till tusentals grader Kelvin.

Förvånande, den vanligaste typen av moln, förväntas över ett stort temperaturintervall, bör bestå av flytande eller fasta droppar av kisel och syre, som smält kvarts eller smält sand. På kallare heta Jupiters, under cirka 950 Kelvin (1, 250 grader Fahrenheit), himlen domineras av ett kolvätedis, i huvudsak smog.

Modellen kommer att hjälpa astronomer att studera gaserna i atmosfärerna i dessa främmande och avlägsna världar, eftersom moln stör mätningar av atmosfärens sammansättning. Det kan också hjälpa planetforskare att förstå atmosfären hos kallare jätteplaneter och deras månar, som Jupiter och Saturnus måne Titan i vårt eget solsystem.

"De typer av moln som kan existera i dessa heta atmosfärer är saker som vi inte riktigt tänker på som moln i solsystemet, sade Peter Gao, en postdoktor vid University of California, Berkeley, som är första författare till en artikel som beskriver modellen som dök upp den 25 maj i tidskriften Natur astronomi . "Det har funnits modeller som förutsäger olika sammansättningar, men poängen med den här studien var att bedöma vilken av dessa sammansättningar som faktiskt spelar roll och jämföra modellen med tillgängliga data som vi har."

Studien drar fördel av en boom under det senaste decenniet i studiet av exoplanetatmosfärer. Även om exoplaneter är för avlägsna och mörka för att vara synliga, många teleskop – i synnerhet, rymdteleskopet Hubble – kan fokusera på stjärnor och fånga stjärnljus som passerar genom planeternas atmosfärer när de passerar framför sina stjärnor. Våglängderna av ljus som absorberas, avslöjas genom spektroskopiska mätningar, berätta för astronomerna vilka grundämnen som utgör atmosfären. Hittills, den här tekniken och andra har hittat eller dragit slutsatsen att det finns vatten, metan, kolmonoxid och koldioxid, kalium- och natriumgaser och, i den hetaste av planeterna, förångad aluminiumoxid, järn och titan.

Men medan vissa planeter verkar ha tydliga atmosfärer och tydliga spektroskopiska egenskaper, många har moln som helt blockerar stjärnljuset som filtrerar igenom, förhindrar studier av gaser under de övre molnskikten. Gasernas sammansättning kan berätta för astronomerna hur exoplaneter bildas och om livets byggstenar finns runt andra stjärnor.

"Vi har hittat många moln:vissa typer av partiklar - inte molekyler, men små droppar – som hänger i dessa atmosfärer, " sa Gao. "Vi vet inte riktigt vad de är gjorda av, men de förorenar våra observationer, i grunden gör det svårare för oss att bedöma sammansättningen och mängden av viktiga molekyler, som vatten och metan."

Rubinmoln

För att förklara dessa observationer, astronomer har föreslagit många konstiga typer av moln, består av aluminiumoxider, som korund, grejer av rubiner och safirer; smält salt, såsom kaliumklorid; kiseloxider, eller silikater, som kvarts, huvudkomponenten i sand; sulfider av mangan eller zink som finns som stenar på jorden; och organiska kolväteföreningar. Molnen kan vara flytande eller fasta aerosoler, sa Gao.

Gao anpassade datormodeller som ursprungligen skapades för jordens vattenmoln och utvidgades därefter till de molniga atmosfärerna på planeter som Jupiter, som har ammoniak- och metanmoln. Han utökade modellen ytterligare till de mycket högre temperaturerna som kan ses på heta gasgiganter - upp till 2, 800 Kelvin, eller 4, 600 grader Fahrenheit (2, 500 grader Celsius) – och de element som sannolikt kondenserar till moln vid dessa temperaturer.

Modellen tar hänsyn till hur gaser av olika atomer eller molekyler kondenserar till droppar, hur dessa droppar växer eller avdunstar och om de sannolikt kommer att transporteras i atmosfären av vindar eller uppströmmar, eller sjunka på grund av gravitationen.

"Tanken är att samma fysiska principer styr bildandet av alla typer av moln, sa Gao, som också har modellerat svavelsyramoln på Venus. "Vad jag har gjort är att ta den här modellen och ta ut den till resten av galaxen, vilket gör det möjligt att simulera silikatmoln och järnmoln och saltmoln."

Han jämförde sedan sina förutsägelser med tillgängliga data om 30 exoplaneter av totalt cirka 70 transiterande exoplaneter med registrerade transmissionsspektra hittills.

Modellen avslöjade att många av de exotiska moln som föreslagits genom åren är svåra att bilda eftersom energin som krävs för att kondensera gaserna är för hög. Silikatmoln kondenserar lätt, dock, och dominera över en 1, 200-graders Kelvin temperaturområde:från cirka 900 till 2, 000 Kelvin. Det är ett intervall på cirka 2, 000 grader Fahrenheit.

Enligt modellen, i de hetaste atmosfärerna, aluminiumoxider och titanoxider kondenseras till moln på hög nivå. I exoplaneter med kallare atmosfärer, dessa moln bildas djupare på planeten och skyms av högre silikatmoln. På ännu kallare exoplaneter, dessa silikatmoln bildas också djupare i atmosfären, lämnar klara övre atmosfärer. Vid ännu kallare temperaturer, ultraviolett ljus från exoplanetens stjärna omvandlar organiska molekyler som metan till extremt långa kolvätekedjor som bildar en dis på hög nivå som liknar smog. Denna smog kan skymma lägre liggande saltmoln av kalium eller natriumklorid.

För de astronomer som söker en molnfri planet för att lättare kunna studera gaserna i atmosfären, Gao föreslog att man skulle fokusera på planeter mellan cirka 900 och 1, 400 Kelvin, eller de som är varmare än cirka 2, 200 Kelvin.

"Närvaron av moln har uppmätts i ett antal exoplanetatmosfärer tidigare, men det är när vi tittar kollektivt på ett stort urval som vi kan plocka isär fysiken och kemin i atmosfärerna i dessa världar, " sa medförfattaren Hannah Wakeford, en astrofysiker vid University of Bristol i Storbritannien "Den dominerande molnarten är lika vanlig som sand - det är i huvudsak sand - och det ska bli riktigt spännande att kunna mäta spektrala signaturer för själva molnen för första gången med kommande James Webb Space Telescope (JWST)."

Framtida observationer, som de av NASA:s JWST, planerad att lanseras inom några år, borde kunna bekräfta dessa förutsägelser och kanske kasta ljus över de dolda molnskikten av planeter närmare hemmet. Gao sa att liknande exotiska moln kan finnas på djup inom Jupiter eller Saturnus där temperaturen ligger nära de som finns på heta Jupiters.

"Eftersom det finns tusentals exoplaneter mot bara en Jupiter, vi kan studera ett gäng av dem och se vad genomsnittet är och hur det kan jämföras med Jupiter, " sa Gao.

Han och hans kollegor planerar att testa modellen mot observationsdata från andra exoplaneter och även från bruna dvärgar, som i grunden är gasjätteplaneter så massiva att de nästan är stjärnor. De, för, har moln.

"När man studerar planetariska atmosfärer i solsystemet, vi har vanligtvis bildernas sammanhang. Vi har ingen sådan tur med exoplaneter. De är bara prickar eller skuggor, " sa Jonathan Fortney från UC Santa Cruz. "Det är en enorm förlust av information. Men vad vi måste kompensera för det är en mycket större urvalsstorlek. Och det gör att vi kan leta efter trender – här, en trend i molnighet - med planettemperatur, något som vi helt enkelt inte har lyxen av i vårt solsystem."