Forskare har genomfört de första laboratorieexperimenten på disbildning i simulerade exoplanetatmosfärer, ett viktigt steg för att förstå kommande observationer av planeter utanför solsystemet med James Webb rymdteleskop.

Simuleringarna är nödvändiga för att etablera modeller av atmosfärer i avlägsna världar, modeller som kan användas för att leta efter tecken på liv utanför solsystemet. Resultaten av studierna dök upp den här veckan i Natur Astronomi .

"En av anledningarna till att vi börjar utföra det här arbetet är att förstå om ett dislager på dessa planeter skulle göra dem mer eller mindre beboeliga, "sa tidningens huvudförfattare, Sarah Hörst, biträdande professor i jord- och planetvetenskap vid Johns Hopkins University.

Med teleskop tillgängliga idag, planetforskare och astronomer kan lära sig vilka gaser som utgör atmosfären på exoplaneter. "Varje gas har ett fingeravtryck som är unikt för den, "Sa Hörst." Om du mäter ett tillräckligt stort spektralområde, du kan se hur alla fingeravtryck ligger ovanpå varandra. "

Nuvarande teleskop, dock, fungerar inte lika bra med alla typer av exoplaneter. De kommer till kort med exoplaneter som har disig atmosfär. Dis består av fasta partiklar suspenderade i gas, förändrar hur ljus interagerar med gasen. Denna muting av spektrala fingeravtryck gör mätning av gassammansättningen mer utmanande.

Hörst tror att denna forskning kan hjälpa exoplanetvetenskapssamhället att avgöra vilka typer av atmosfärer som sannolikt kommer att vara disiga. Med dis som grumlar upp ett teleskops förmåga att berätta för forskare vilka gaser som utgör en exoplanets atmosfär - om inte mängderna av dem - är vår förmåga att upptäcka liv någon annanstans en grumligare möjlighet.

Planeter större än jorden och mindre än Neptunus, kallas super-jordar och mini-Neptuner, är de dominerande typerna av exoplaneter, eller planeter utanför vårt solsystem. Eftersom denna klass av planeter inte finns i vårt solsystem, vår begränsade kunskap gör dem svårare att studera.

Med den kommande lanseringen av James Webb Space Telescope, forskare hoppas kunna undersöka atmosfären på dessa exoplaneter mer detaljerat. JWST kommer att kunna se tillbaka ännu längre i tiden än Hubble med ett ljusuppsamlingsområde som är cirka 6,25 gånger större. Som kretsar runt solen en miljon mil från jorden, JWST kommer att hjälpa forskare att mäta sammansättningen av extrasolära planetatmosfärer och till och med söka efter livets byggstenar.

"En del av det vi försöker hjälpa människor att räkna ut är i princip var du vill titta, "sa Hörst om framtida användningar av rymdteleskopet James Webb.

Med tanke på att vårt solsystem inte har några superjordar eller mini-Neptunes för jämförelse, forskare har inte ”grundsanningar” för atmosfären på dessa exoplaneter. Med hjälp av datormodeller, Hörsts team kunde sammanställa en rad atmosfäriska kompositioner som modellerar superjordar eller mini-Neptuner. Genom att variera nivåerna av tre dominerande gaser (koldioxid, väte, gasformigt vatten), fyra andra gaser (helium, kolmonoxid, metan, kväve) och tre uppsättningar temperaturer, de samlade nio olika "planeter".

Datormodelleringen föreslog olika andelar av gaser, som forskarna blandade i en kammare och upphettade. Över tre dagar, den uppvärmda blandningen flödade genom en plasmaurladdning, en installation som initierade kemiska reaktioner i kammaren.

"Energin bryter ner gasmolekylerna som vi börjar med. De reagerar med varandra och skapar nya saker och ibland gör de en fast partikel [skapar dis] och ibland gör de det inte, Sa Hörst.

"Den grundläggande frågan för detta papper var:Vilken av dessa gasblandningar - vilken av dessa atmosfärer - kommer vi att förvänta oss att vara grumliga?" sa Hörst.

Forskarna fann att alla nio varianter gjorde dis i varierande mängder. Överraskningen låg i vilken kombinationer gjorde mer. Teamet hittade de flesta dispartiklarna i två av de vattendominerande atmosfärerna. "Vi hade länge den här tanken att metankemi var den enda sanna vägen för att göra en dis, och vi vet att det inte är sant nu, sa Hörst, med hänvisning till föreningar som är rikliga i både väte och kol.

Vidare, forskarna fann skillnader i partiklarnas färger, vilket kan påverka hur mycket värme som fångas av diset. "Att ha ett dislager kan förändra temperaturstrukturen i en atmosfär, "sa Hörst." Det kan förhindra att riktigt energiska fotoner når en yta. "

Som ozonskiktet som nu skyddar livet på jorden från skadlig strålning, forskare har spekulerat i att ett primitivt dislager kan ha skyddat livet i början. Detta kan vara meningsfullt i vårt sökande efter yttre liv.

För Hörsts grupp, nästa steg innebär att analysera de olika disarna för att se hur partiklarnas färg och storlek påverkar hur partiklarna interagerar med ljus. De planerar också att prova andra kompositioner, temperatures, energy sources and examine the composition of the haze produced.

"The production rates were the very, very first step of what's going to be a long process in trying to figure out which atmospheres are hazy and what the impact of the haze particles is, " Hörst said.