Många exoplaneter har ogenomskinlig atmosfär, skyms av moln eller dis som gör det svårt för astronomer att karakterisera sina kemiska sammansättningar. En ny studie visar att dispartiklar som produceras under olika förhållanden har en lång rad egenskaper som kan avgöra hur klar eller disig en planets atmosfär sannolikt kommer att vara.

Fotokemiska reaktioner i atmosfären hos tempererade exoplaneter leder till bildandet av små organiska dispartiklar. Stora mängder av dessa fotokemiska diser bildas i jordens atmosfär varje dag, ändå har vår planet relativt klar himmel. Anledningen har att göra med hur lätt dispartiklar tas bort från atmosfären genom deponeringsprocesser.

"Det är inte bara disproduktion utan också disborttagning som avgör hur klar atmosfären är, " sa Xinting Yu, en postdoktor vid UC Santa Cruz och huvudförfattare till studien, publicerad 12 juli i Natur astronomi .

Yu och hennes kollegor mätte egenskaperna hos dispartiklar producerade i laboratoriet under förhållanden representativa för exoplanetatmosfärer, inklusive en rad gassammansättningar, temperaturer, och energikällor. Medförfattare Xi Zhang, biträdande professor i jord- och planetvetenskap vid UC Santa Cruz, nämnda laboratorieexperiment som detta är väsentliga för att förstå disbildning och dess inverkan på observationer.

"Vi kan inte ta tillbaka disprover från exoplaneter, så vi måste försöka efterlikna de atmosfäriska förhållandena i laboratoriet, " han sa.

Enligt Yu, Borttagning av dis beror på en kritisk materialegenskap hos partiklarna som kallas ytenergi. "Ytenergi beskriver hur sammanhängande eller "klibbigt" materialet är, " Hon sa.

Klibbiga dispartiklar binder lätt till varandra när de kolliderar, växer till större partiklar som faller ut ur atmosfären på planetens yta (en process som kallas torr avsättning). De utgör också bra kondensationskärnor för molndroppar och avlägsnas lätt genom våtavlagring. Diser som produceras på jorden har vanligtvis hög ytenergi och är därför "klibbiga" och avlägsnas effektivt från atmosfären.

Yus laboratorieexperiment visar att de dis som produceras i exoplanetatmosfärer är mycket olika, med egenskaper som beror på de förhållanden under vilka de produceras.

"En del av dem liknar jordens dis, har hög ytenergi, och är lätta att ta bort, leder till klar himmel, " sa hon. "Men några av dem har väldigt låg ytenergi, som en non-stick panna; de binder sig inte särskilt bra till andra partiklar och förblir som små partiklar hängande i atmosfären under lång tid."

Studien fann att en kritisk faktor är temperaturen vid vilken dispartiklarna skapas. Disor producerade vid cirka 400 Kelvin (260°F) tenderade att ha de lägsta ytenergierna, leder till mindre effektivt avlägsnande och grumligare atmosfärer. Detta fynd överensstämmer faktiskt med observerade trender, Yu sa, noterar att exoplaneter vid temperaturer på 400 till 500 K tenderar att vara de mest disiga.

Kallare planeter som ligger i de beboeliga zonerna av deras värdstjärnor är mer benägna att ha klara atmosfärer, Hon sa. "Vi kanske inte behöver oroa oss för att beboeliga exoplaneter är för disiga för framtida observationer, eftersom diser tenderar att ha högre ytenergi vid lägre temperaturer, " sa Yu. "Så det är lätt att ta bort dessa dis, lämnar relativt klara atmosfärer."

Astronomer ser fram emot att ha ett kraftfullt verktyg för att karakterisera exoplanetatmosfärer med det kommande rymdteleskopet James Webb (JWST). När en exoplanet passerar över sin stjärnas yta, dess atmosfär filtrerar ljuset från stjärnan, ger astronomer med ett tillräckligt känsligt teleskop (som JWST) en möjlighet att identifiera de kemiska komponenterna i atmosfären med hjälp av transmissionsspektroskopi.

En disig atmosfär skulle störa transmissionsspektroskopi, men disen i sig kan fortfarande ge värdefull information, enligt Zhang.

"Disorna är inte särdrag, " sa han. "Med bättre teleskop, vi kanske kan karakterisera sammansättningen av exoplanetdis och förstå deras kemi. Men observationerna kommer att vara mycket svåra att förklara utan data från laboratorieexperiment. Denna studie har avslöjat den enorma mångfalden av dispartiklar, och att förstå deras optiska egenskaper kommer att vara en hög prioritet för framtida studier."