Crédito:NASA / JPL-Caltech
Investigadores del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA en Pasadena, California, están cocinando una atmósfera alienígena aquí mismo en la Tierra. En un nuevo estudio, Los científicos del JPL utilizaron un "horno" de alta temperatura para calentar una mezcla de hidrógeno y monóxido de carbono a más de 2, 000 grados Fahrenheit (1, 100 grados Celsius), sobre la temperatura de la lava fundida. El objetivo era simular las condiciones que podrían encontrarse en las atmósferas de una clase especial de exoplanetas (planetas fuera de nuestro sistema solar) llamados "Júpiter calientes".
Los Júpiter calientes son gigantes gaseosos que orbitan muy cerca de su estrella madre, a diferencia de cualquiera de los planetas de nuestro sistema solar. Mientras que la Tierra tarda 365 días en orbitar el Sol, Júpiter calientes orbitan sus estrellas en menos de 10 días. Su proximidad a una estrella significa que sus temperaturas pueden oscilar entre 1, 000 a 5, 000 grados Fahrenheit (530 a 2, 800 grados Celsius) o incluso más. En comparación, un día caluroso en la superficie de Mercurio (que tarda 88 días en orbitar el Sol) alcanza unos 800 grados Fahrenheit (430 grados Celsius).
"Aunque es imposible simular exactamente en el laboratorio estos duros entornos de exoplanetas, podemos acercarnos mucho, "dijo el científico principal del JPL, Murthy Gudipati, quién lidera el grupo que realizó el nuevo estudio, publicado el mes pasado en el Diario astrofísico .
El equipo comenzó con una mezcla química simple de principalmente gas hidrógeno y gas monóxido de carbono al 0.3 por ciento. Estas moléculas son extremadamente comunes en el universo y en los primeros sistemas solares. y razonablemente podrían componer la atmósfera de un Júpiter caliente. Luego, el equipo calentó la mezcla entre 620 y 2, 240 grados Fahrenheit (330 y 1, 230 grados Celsius).
El concepto de este artista muestra el planeta KELT-9b, un ejemplo de un "Júpiter caliente, "o un planeta gigante gaseoso que orbita muy cerca de su estrella madre. KELT-9b es un ejemplo extremo de un Júpiter caliente, con temperaturas diurnas que alcanzan los 7, 800 grados Fahrenheit (4, 300 grados centígrados). Crédito:NASA / JPL-Caltech
El equipo también expuso la mezcla de laboratorio a una alta dosis de radiación ultravioleta, similar a la que experimentaría un Júpiter caliente orbitando tan cerca de su estrella madre. La luz ultravioleta resultó ser un ingrediente potente. Fue en gran parte responsable de algunos de los resultados más sorprendentes del estudio sobre la química que podría estar teniendo lugar en estas atmósferas cálidas.
Los Júpiter calientes son grandes para los estándares planetarios, e irradian más luz que los planetas más fríos. Tales factores han permitido a los astrónomos recopilar más información sobre sus atmósferas que la mayoría de los otros tipos de exoplanetas. Esas observaciones revelan que muchas atmósferas calientes de Júpiter son opacas a grandes altitudes. Aunque las nubes pueden explicar la opacidad, se vuelven cada vez menos sostenibles a medida que disminuye la presión, y se ha observado la opacidad donde la presión atmosférica es muy baja.
Los científicos han estado buscando posibles explicaciones además de las nubes, y los aerosoles, partículas sólidas suspendidas en la atmósfera, podrían ser uno. Sin embargo, según los investigadores del JPL, Los científicos desconocían previamente cómo se podrían desarrollar los aerosoles en las atmósferas calientes de Júpiter. En el nuevo experimento, la adición de luz ultravioleta a la mezcla química caliente funcionó.
Los científicos del JPL utilizaron el "horno" (centro) para calentar una mezcla de hidrógeno y monóxido de carbono y someterlo a radiación ultravioleta. generado por una lámpara de descarga de gas hidrógeno. La lámpara irradia luz visible (el resplandor rosa) y luz ultravioleta, que ingresa al recipiente de gas dentro del horno a través de una ventana en el lado derecho. Crédito:NASA / JPL-Caltech
"Este resultado cambia la forma en que interpretamos esas atmósferas brumosas y calientes de Júpiter, "dijo Benjamin Fleury, científico investigador del JPL y autor principal del estudio. "Avanzando, queremos estudiar las propiedades de estos aerosoles. Queremos comprender mejor cómo se forman, cómo absorben la luz y cómo responden a los cambios en el medio ambiente. Toda esa información puede ayudar a los astrónomos a comprender lo que ven cuando observan estos planetas ".
El estudio arrojó otra sorpresa:las reacciones químicas produjeron cantidades significativas de dióxido de carbono y agua. Si bien se ha encontrado vapor de agua en atmósferas calientes de Júpiter, Los científicos en su mayor parte esperan que esta preciosa molécula se forme solo cuando hay más oxígeno que carbono. El nuevo estudio muestra que el agua se puede formar cuando el carbono y el oxígeno están presentes en cantidades iguales. (El monóxido de carbono contiene un átomo de carbono y un átomo de oxígeno). Y aunque algo de dióxido de carbono (un átomo de carbono y dos de oxígeno) se formó sin la adición de radiación ultravioleta, las reacciones se aceleraron con la adición de luz estelar simulada.
"Estos nuevos resultados son inmediatamente útiles para interpretar lo que vemos en las atmósferas calientes de Júpiter, "dijo el científico de exoplanetas del JPL Mark Swain, un coautor del estudio. "Hemos asumido que la temperatura domina la química en estas atmósferas, pero esto muestra que tenemos que ver cómo juega un papel la radiación ".
El pequeño disco de zafiro de la derecha muestra aerosoles orgánicos formados dentro de un horno de alta temperatura. El disco de la izquierda no se ha utilizado. Crédito:NASA / JPL-Caltech
Con herramientas de próxima generación como el telescopio espacial James Webb de la NASA, que se lanzará en 2021, los científicos podrían producir los primeros perfiles químicos detallados de atmósferas de exoplanetas, y es posible que algunos de esos primeros sujetos sean Júpiter calientes. Estos estudios ayudarán a los científicos a aprender cómo se forman otros sistemas solares y qué tan similares o diferentes son al nuestro.
Para los investigadores del JPL, el trabajo acaba de comenzar. A diferencia de un horno típico, el suyo sella el gas herméticamente para evitar fugas o contaminación, y permite a los investigadores controlar la presión del gas a medida que aumenta la temperatura. Con este hardware, ahora pueden simular atmósferas de exoplanetas a temperaturas aún más altas:cerca de 3, 000 grados Fahrenheit (1, 600 grados Celsius).
"Ha sido un desafío continuo descubrir cómo diseñar y operar este sistema con éxito, Dado que la mayoría de los componentes estándar, como el vidrio o el aluminio, se funden a estas temperaturas, "dijo la científica investigadora del JPL Bryana Henderson, coautor del estudio. "Todavía estamos aprendiendo cómo superar estos límites mientras manejamos de manera segura estos procesos químicos en el laboratorio. Pero al final del día, los emocionantes resultados que surgen de estos experimentos merecen todo el esfuerzo adicional ".
