如何“烹飪”地球上的宇宙氣氛

21038x 12。 04。 2019 1閱讀器

美國宇航局位於加利福尼亞州帕薩迪納的噴氣推進實驗室研究人員在地球上“烹飪”地球外的大氣層。 在一項新研究中,JPL科學家使用高溫“烤箱”將氫氣和一氧化碳的混合物加熱到1 100°C(2000°F)以上,等於熔融熔岩溫度。 目的是模擬在特定類型的系外行星(太陽系外的行星)的大氣層中可以找到的條件,稱為“熱木星”。

木星=太空巨人

與我們太陽系的行星不同,熱氣流巨著是軌道上的氣體巨星,非常接近它們的母恆星。 當地球繞太陽365天運行時,熱的木星繞著它們的恆星循環不到10天。 距離恆星的這個短距離意味著它們的溫度可以達到530到2 800°C(1 000到5 000°F)甚至更高。 相比之下,水星表面的炎熱天氣(在88天內繞太陽運行)達到約430°C(800°F)的溫度。

上個月在天體物理學雜誌上進行一項新研究的小組組長,首席科學家JPL Murthy Gudipati說:

“對這些系外行星的惡劣環境進行精確的實驗室模擬是不可能的,但我們可以非常密切地模仿它。”

該團隊從一種簡單的化學混合物開始,主要是氫氣和0,3一氧化碳氣體。 這些分子在宇宙和早期太陽系中非常常見,因此從邏輯上講它們可以創造出熱木星的氣氛。 然後將混合物加熱至330至1 230℃(620至2 240°F)。

科學家們還將這種實驗室混合物暴露在高劑量的紫外線輻射下 - 類似於可能影響圍繞其母星運行的熱木星。 紫外線已被證明是一種活性成分。 他的行為在很大程度上促成了對可能在高溫環境中發生的化學現象的研究的驚人結果。

熱木星

熱木星被認為是偉大的行星,比較冷的行星輻射更多的光。 這些因素使天文學家能夠比大多數其他類型的系外行星更多地了解他們的大氣層。 觀測表明,許多木星大氣層在高海拔地區是不透明的。 雖然不透明度可以通過雲部分證明,但這種理論正在逐漸失去壓力。 實際上,在大氣壓非常低的情況下觀察到不透明度。

右圖中的小藍寶石圓盤顯示在高溫爐內形成的有機氣溶膠。 左側磁盤未使用。 圖片來源:NASA / JPL-Caltech

因此,科學家們尋找另一種可能的解釋,其中一種可能是氣溶膠 - 大氣中含有的固體顆粒。 然而,根據JPL研究人員的說法,科學家們並不知道氣溶膠在木星的高溫環境中是如何形成的。 僅在新實驗中,熱化學混合物暴露於UV輻射。

本傑明弗勒里,研究員和JPL的主要作者

“這個結果改變了我們解釋木星朦朧的熱氣氛的方式。 將來,我們想研究這些氣溶膠的性質。 我們希望更好地了解它們如何塑造,吸收光線並應對環境變化。 所有這些信息都可以幫助天文學家了解他們在觀測這些行星時所看到的內容。 “

發現水蒸氣

該研究還帶來了另一個驚喜:化學反應產生了大量的二氧化碳和水。 在木星的高溫氣氛中發現了水蒸氣,而科學家們預計,只有當存在的氧氣多於碳時,才會產生這種稀有分子。 一項新的研究表明,即使碳和氧以相同的比例存在,也可以形成水。 (一氧化碳含有一個碳原子和一個氧原子。)雖然在沒有額外的UV輻射的情況下產生二氧化碳(一個碳原子和兩個氧原子),但是通過添加模擬星光加速了反應。

JPL的系外行星科學家Mark Swain和該研究的合著者說:

“這些新結果對於解釋我們在炎熱的木星大氣層中所看到的內容非常有用。 我們假設在這些大氣中,化學反應受溫度影響最大,但現在我們必須考慮輻射的作用。“

隨著下一代設備,如美國國家航空航天局的詹姆斯韋伯太空望遠鏡,在2021上發射,科學家們可以創造出第一個詳細的外行星大氣化學特徵。 並且有可能第一個中的一個將是熱木星周圍的那些。 這些研究將幫助科學家了解其他太陽系如何形成以及它們與我們的相似或不同。

對於JPL,研究人員的工作才剛剛開始。 與典型的熔爐不同,它採用氣密密封,以防止氣體洩漏或污染,從而使科學家能夠在溫度升高的情況下控制其壓力。 使用這種設備,他們現在可以在甚至更高的溫度下模擬外行星大氣,達到1600°C(3000°F)。

Bryana Henderson,JPL研究的合著者

“成功設計和運行該系統是一項持續的挑戰。 大多數標準組件,如玻璃或鋁,都會在如此高的溫度下熔化。 我們不斷學習如何在實驗室中安全地模擬這些化學過程的同時突破界限。 但最終,實驗給我們帶來的令人興奮的結果值得額外的工作和努力。“

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