Om meer te begrijpen van de omstandigheden op onbereikbare exoplaneten, hebben NASA-onderzoekers de atmosfeer van een planeet nagebouwd op aarde. 'Precies nabootsen is lastig', zegt een van de betrokken wetenschappers, 'maar we zijn behoorlijk in de buurt gekomen.' 

NASA-onderzoekers van het Jet Propulsion Laboratory in Pasadena in de Amerikaanse staat Californië gebruikten een speciale oven om een mengsel van waterstof en koolstofmonoxide te verhitten tot meer dan 1100 graden Celsius, ongeveer de temperatuur van vloeibare lava. Ze wilden de omstandigheden nabootsen van de atmosfeer van een speciale categorie exoplanten, zogeheten hete Jupiters.


Gasplaneten

Hete Jupiters zijn gasplaneten die dichtbij hun moederster cirkelen: een 'jaar' vliegt er in nog geen tien dagen voorbij. Door die extreme nabijheid tot de moederster, zijn de temperaturen er hoog: tussen de 530 en 2800 graden Celsius, en in sommige gevallen zelfs nog hoger.

In ons zonnestelsel zijn dergelijke hete Jupiters niet te vinden. Op Mercurius, de planeet die het dichtst bij onze zon staat, wordt het op een warme dag hooguit 430 graden Celsius. Mercurius doet er bovendien 88 dagen over om een rondje rond de zon te maken. 

'Het is onmogelijk om in het lab exact na te bootsen hoe wreed de omstandigheden op dergelijke exoplaneten zijn',  zegt onderzoeksleider Murthy Gudipati van JPL, 'maar we zijn behoorlijk in de buurt gekomen'. Zijn onderzoeksgroep publiceerde de bevindingen onlangs in het wetenschappelijke tijdschrift Astrophysical Journal.
 

Brouwsel

Het team begon met een eenvoudig chemisch mengsel van voornamelijk waterstof met een klein beetje (0,3 procent) koolstofmonoxide. Beide elementen komen veel voor in het universum en in oude zonnestelsels. De kans dat ze de atmosfeer op een hete Jupiter vormen is daarom groot. Vervolgens verhitten de onderzoekers het brouwsel in een oven tot 330 en 1230 graden Celsius.

De oven waarin JPL-onderzoekers de omstandigheden op een exoplaneet wisten na te bootsen.


Katalysator

Maar daar bleef het niet bij. Vanwege de nabijheid van de moederster, is de kans groot dat de exoplaneet aan enorme ultraviolette straling wordt blootgesteld. Ook dat wisten de onderzoekers na te bootsen. Het uv-licht bleek een krachtige katalysator, waardoor een hoop verrassende processen plaatsvonden in de oven.

Hete Jupiters zijn altijd groot en ze stralen meer licht uit dan koelere planeten. Daardoor hebben astronomen er meer studie naar kunnen verrichten dan naar de meeste andere typen exoplaneten.

Een van de dingen die de astronomen was opgevallen, was dat ze hoog in de atmosfeer ondoorzichtig zijn. Dat kan komen door wolken, maar omdat de zichtbaarheid niet verbetert als er geen wolken zijn, moest er meer aan de hand zijn. 


Aerosolen

In de simulatie-oven bleek dat er door het uv-licht aerosolen ontstaan, kleine vaste deeltjes in de atmosfeer. Die kunnen de ondoorzichtigheid verklaren. Hoe die aerosolen precies ontstaan door het gasmengsel te bestralen met uv-licht, wordt het onderwerp van vervolgonderzoek. 

Op het linkerschaaltje zijn organische aerosolen te zien die zich hebben gevormd in de oven. Het schaaltje rechts is niet gebruikt.

Daarnaast bleken er door chemische reacties in de oven significante hoeveelheden koolstofdioxide en water te ontstaan. Hoewel astronomen eerder al waterdamp hadden gevonden op hete Jupiters, werd tot nu toe verondersteld dat watermoleculen alleen konden ontstaan als er meer zuurstof dan koolstof in de atmosfeer voorkomt. In de oven bleek zich echter ook waterdamp te vormen wanneer koolstof en zuiurstof in gelijke mate vorkomen - in de vorm van koolstofmonoxide. Dat proces werd versterkt door het UV-licht. 


Straling

'Deze bevindingen zijn van groot belang voor de interpretatie van onze waarneming van hete Jupiters', zegt exoplaneet-specialist Mark Swain van JPL in een persbericht. 'Tot nu toe veronderstelden we dat de temperatuur cruciaal was voor de chemische processen in de atmosfeer, maar nu weten we dat we net zo goed naar straling moeten kijken.'

  Foto's: NASA/JPL-Caltech