Die NASA hilft zu entschlüsseln, wie einige ferne Planeten Sandwolken haben

Die meisten Wolken auf der Erde bestehen aus Wasser, aber außerhalb unseres Planeten kommen sie in vielen chemischen Varianten vor. Der obere Teil der Jupiteratmosphäre ist beispielsweise von gelb gefärbten Wolken aus Ammoniak und Ammoniumhydrogensulfid bedeckt. Und auf Welten außerhalb unseres Sonnensystems gibt es Wolken, die aus Silikaten bestehen, der Familie der steinbildenden Mineralien, die über 90 % der Erdkruste ausmachen. Die Bedingungen, unter denen sich diese Wolken aus kleinen Staubkörnern bilden, konnten die Forscher jedoch nicht beobachten.

Eine neue Studie erscheint in der Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society gibt einen Einblick: Die Forschung zeigt den Temperaturbereich, in dem sich Silikatwolken bilden können und an der Spitze der Atmosphäre eines fernen Planeten sichtbar sind. Der Befund wurde aus Beobachtungen des stillgelegten Spitzer-Weltraumteleskops der NASA von Braunen Zwergen – Himmelskörpern, die zwischen Planeten und Sterne fallen – abgeleitet, passt aber zu einem allgemeineren Verständnis der Funktionsweise von Planetenatmosphären.

„Das Verständnis der Atmosphären von Braunen Zwergen und Planeten, auf denen sich Silikatwolken bilden können, kann uns auch helfen zu verstehen, was wir in der Atmosphäre eines Planeten sehen würden, der in Größe und Temperatur näher an der Erde liegt“, sagte Stanimir Metchev, Professor für Exoplanetenstudien bei Western University in London, Ontario, und Co-Autor der Studie.

Trübe Chemie

Die Schritte zum Erstellen jeder Art von Wolke sind die gleichen. Erhitzen Sie zuerst die Hauptzutat, bis sie zu Dampf wird. Unter den richtigen Bedingungen könnte diese Zutat eine Vielzahl von Dingen sein, darunter Wasser, Ammoniak, Salz oder Schwefel. Fangen Sie es ein, kühlen Sie es gerade so weit ab, dass es kondensieren kann, und voilà – Wolken! Natürlich verdampft Gestein bei einer viel höheren Temperatur als Wasser, daher sind Silikatwolken nur auf heißen Welten sichtbar, wie den Braunen Zwergen, die für diese Studie verwendet wurden, und einigen Planeten außerhalb unseres Sonnensystems.

Obwohl sie sich wie Sterne bilden, sind Braune Zwerge nicht massiv genug, um die Fusion in Gang zu setzen, den Prozess, der Sterne zum Leuchten bringt. Viele Braune Zwerge haben Atmosphären, die sich kaum von denen gasdominierter Planeten wie Jupiter unterscheiden, sodass sie als Stellvertreter für diese Planeten verwendet werden können.

Vor dieser Studie deuteten Daten von Spitzer bereits auf das Vorhandensein von Silikatwolken in einer Handvoll Brauner-Zwerg-Atmosphären hin. (Das James-Webb-Weltraumteleskop der NASA wird in der Lage sein, diese Art von Wolken auf fernen Welten zu bestätigen.) Diese Arbeit wurde während der ersten sechs Jahre der Spitzer-Mission (die 2003 gestartet wurde) durchgeführt, als das Teleskop drei kryogen gekühlte Instrumente betrieb. In vielen Fällen war der von Spitzer beobachtete Hinweis auf Silikatwolken auf Braunen Zwergen jedoch zu schwach, um für sich allein zu stehen.

Für diese neueste Forschung sammelten Astronomen mehr als 100 dieser Randdetektionen und gruppierten sie nach der Temperatur des Braunen Zwergs. Alle fielen in den vorhergesagten Temperaturbereich, in dem sich Silikatwolken bilden sollten: zwischen etwa 1.900 Grad Fahrenheit (etwa 1.000 Grad Celsius) und 3.100 F (1.700 C). Während die einzelnen Entdeckungen marginal sind, zeigen sie zusammen ein definitives Merkmal von Silikatwolken.

„Wir mussten die Spitzer-Daten durchsuchen, um diese Braunen Zwerge zu finden, wo es Hinweise auf Silikatwolken gab, und wir wussten wirklich nicht, was wir finden würden“, sagte Genaro Suárez, Postdoktorand an der Western University und Hauptautor von die neue Studie. „Wir waren sehr überrascht, wie stark die Schlussfolgerung war, nachdem wir die richtigen Daten zur Analyse hatten.“

In Atmosphären, die heißer als das obere Ende des in der Studie identifizierten Bereichs sind, bleiben Silikate ein Dampf. Unterhalb des unteren Endes werden die Wolken zu Regen oder sinken tiefer in die Atmosphäre, wo die Temperatur höher ist.

Tatsächlich glauben Forscher, dass Silikatwolken tief in der Atmosphäre des Jupiters existieren, wo die Temperatur aufgrund des atmosphärischen Drucks viel höher ist als an der Spitze. Höher können die Silikatwolken nicht aufsteigen, denn bei niedrigeren Temperaturen verfestigen sich die Silikate und bleiben nicht in Wolkenform. Wenn die Spitze der Atmosphäre Tausende von Grad heißer wäre, würden die Ammoniak- und Ammoniumhydrogensulfidwolken des Planeten verdampfen und die Silikatwolken könnten möglicherweise nach oben steigen.

Wissenschaftler finden eine immer vielfältigere Menagerie planetarer Umgebungen in unserer Galaxie. Zum Beispiel haben sie Planeten gefunden, bei denen eine Seite permanent ihrem Stern zugewandt ist und die andere permanent im Schatten liegt – ein Planet, auf dem je nach beobachteter Seite Wolken unterschiedlicher Zusammensetzung sichtbar sein können. Um diese Welten zu verstehen, müssen Astronomen zunächst die gemeinsamen Mechanismen verstehen, die sie formen.