I en ny laboratorieundersökning av de ursprungliga atmosfärerna hos jordliknande stenplaneter, forskare vid UC Santa Cruz värmde upp orörda meteoritprover i en högtemperaturugn och analyserade de frigjorda gaserna.

Deras resultat, publicerad 15 april in Natur astronomi , tyder på att de initiala atmosfärerna för jordiska planeter kan skilja sig betydligt från många av de vanliga antagandena som används i teoretiska modeller av planetariska atmosfärer.

"Denna information kommer att vara viktig när vi börjar kunna observera exoplanetatmosfärer med nya teleskop och avancerad instrumentering, " sa första författaren Maggie Thompson, en doktorand i astronomi och astrofysik vid UC Santa Cruz.

De tidiga atmosfärerna hos steniga planeter tros mestadels bildas från gaser som frigörs från planetens yta som ett resultat av den intensiva uppvärmningen under ansamlingen av planetariska byggstenar och senare vulkanisk aktivitet tidigt i planetens utveckling.

"När byggstenarna på en planet går ihop, materialet värms upp och gaser produceras, och om planeten är tillräckligt stor kommer gaserna att hållas kvar som en atmosfär, " förklarade medförfattaren Myriam Telus, biträdande professor i jord- och planetvetenskap vid UC Santa Cruz. "Vi försöker simulera i laboratoriet denna mycket tidiga process när en planets atmosfär bildas så att vi kan sätta några experimentella begränsningar på den historien."

Forskarna analyserade tre meteoriter av en typ som kallas kolhaltiga kondriter av CM-typ, som har en sammansättning som anses representativ för det material som solen och planeterna bildades av.

"Dessa meteoriter finns över material från byggstenarna som gick till att bilda planeterna i vårt solsystem, " Thompson sa. "Kondriter skiljer sig från andra typer av meteoriter genom att de inte blev tillräckligt varma för att smälta, så de har hållit fast vid några av de mer primitiva komponenterna som kan berätta för oss om solsystemets sammansättning kring tiden för planetbildningen."

Arbeta med materialvetare på fysikavdelningen, forskarna satte upp en ugn kopplad till en masspektrometer och ett vakuumsystem. När meteoritproverna värmdes till 1200 grader Celsius, systemet analyserade de flyktiga gaserna som producerades från mineralerna i provet. Vattenånga var den dominerande gasen, med betydande mängder kolmonoxid och koldioxid, och mindre mängder väte och vätesulfidgaser frigörs också.

Enligt Telus, modeller av planetariska atmosfärer antar ofta solöverflöd – det vill säga, en sammansättning som liknar solen och därför domineras av väte och helium.

"Baserat på avgasning från meteoriter, dock, du förväntar dig att vattenånga är den dominerande gasen, följt av kolmonoxid och koldioxid, " sa hon. "Att använda solenergi är bra för stora, Jupiterstora planeter som får sin atmosfär från solnebulosan, men mindre planeter tros få sin atmosfär mer från avgasning."

Forskarna jämförde sina resultat med förutsägelserna från kemiska jämviktsmodeller baserade på meteoriternas sammansättning. "Kvalitativt, vi får ganska liknande resultat som de kemiska jämviktsmodellerna förutsäger bör avgasas, men det finns också vissa skillnader, Thompson sa. "Du behöver experiment för att se vad som faktiskt händer i praktiken. Vi vill göra detta för en mängd olika meteoriter för att ge bättre begränsningar för de teoretiska modellerna av exoplanetära atmosfärer."

Andra forskare har gjort uppvärmningsexperiment med meteoriter, men dessa studier var för andra syften och använde olika metoder. "Många människor är intresserade av vad som händer när meteoriter kommer in i jordens atmosfär, så den typen av studier gjordes inte med detta ramverk i åtanke för att förstå avgasning, " sa Thompson.

De tre meteoriterna som analyserades för denna studie var Murchison-kondriten, som föll i Australien 1969; Jbilet Winselwan, insamlade i Västsahara 2013; och Aguas Zarcas, som föll i Costa Rica 2019.

"Det kan verka godtyckligt att använda meteoriter från vårt solsystem för att förstå exoplaneter runt andra stjärnor, men studier av andra stjärnor visar att den här typen av material faktiskt är ganska vanligt runt andra stjärnor, " konstaterade Telus.