Forskere arbejder hårdt på at lave modeller af atmosfæren på exoplaneter. Ved at undersøge emissionsspektrene for planeter uden liv, kan de nemmere finde planeter med liv. Men undersøgelserne af varme Jupiter-planter – ultrahede gasgiganter – har også vist sig at være værdifulde til andre formål. Justering af klimamodeller for planeter, der er 10.000 °C, viser meget tydeligere, hvilke effekter der er de vigtigste. En ny undersøgelse for at forstå de unormalt store omkredse af oppustede varme gasgiganter kan således hjælpe os med at forudsige Jordens fremtidige klima.
For præcis 1 år siden sendte NASA et stykke udstyr med en vægt på lidt over 6.000 kg på en rejse på 1,5 millioner kilometer. Via 18 1,3 meter brede guldbelagte berylliumspejle plus et spejl på 6,5 meter i diameter håber astronomerne at indsamle information om universets første stjerner og galakser. Men mindst lige så vigtigt er en detaljeret atmosfærisk karakterisering af potentielt beboelige exoplaneter – planeter, der kredser om en anden stjerne end Solen – hvor liv i sidste ende kan findes. For astronomer handler missionen om meget mere end at finde liv i rummet.
"Der er ingen tvivl om, at karakterisering og forståelse af exoplaneternes atmosfærer vil give os et vigtigt grundlag for at finde liv i universet, men måske endnu vigtigere vil det hjælpe os med at løse nogle af de mangeårige spørgsmål om de atmosfæriske fænomener på disse planeter. I vores nye forskning har vi skabt en model for varme og ultravarme Jupiter-planeter for at prøve at forstå mekanismen, der puster disse planeter op. Kombineret med fremtidige data fra teleskopet vil dette hjælpe os til at forstå ikke kun disse fjerne planeter, men også dynamikken på Jorden, herunder klimadynamikken,” forklarer Aaron David Schneider, ph.d.-studerende, Center for ExoLife Sciences, Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet.
Stadig et mysterium
Mange varme Jupiter-planeter er meget større end forventet. De har større radius og lavere tætheder end forventet fra eksisterende modeller udviklet af forskere. Problemet med at forstå dynamikken i disse planeter, som kan nå temperaturer på flere tusinde grader celsius kaldes inflationsproblemet. Og svaret på, hvorfor planeterne puster sig op, har langt fra været let for forskere at finde.
”Der er flere mulige årsager til, at de er større end forventet. I min forskning forsøgte jeg at afgøre, om en af årsagerne kunne være, at der er nogle af de atmosfæriske dynamikker, der fungerer som en varmemotor i at skubbe energi skabt i den øvre atmosfære ned, ned gennem de atmosfæriske systemer mod dybere lag, så du har varme, dybere lag, der så ville puste planetens atmosfære op,” siger Aaron David Schneider.
Tidligere i år præsenterede forskerne resultaterne af en beregning, der sammenlignede mængden af atmosfærisk udvidelse for to exoplaneter med meget forskellige mængder af atmosfærisk inflation.
"Man kunne så forestille sig, at forskellige rotationshastigheder ville give anledning til forskellige nedadgående strømme i stor skala af den energi, der skinner på planeten fra den stjerne, den kredser om, og dermed give anledning til forskellige mængder af inflation af de to planeters atmosfærer," forklarer Aaron David Schneider.
Denne effekt har nogle ligheder med, hvordan Solen skinner energi på toppen af Jordens atmosfære, og Jordens rotation flytter den rundt. Det nye studie viser dog, at sådanne store nedadgående bevægelser ikke kan forklare forskellene i den observerede udvidelse af atmosfærerne.
"Vi oplever, at vores klimamodel ikke giver dette pust op. Vi ser ikke denne varmemotor i vores klimamodel. Så der er ingen mekanisme blot ved at kigge på dynamikken, vindene og bestrålingen på planeten og så videre. Hvis vi bruger den nye model, ser vores planeter ud til at køle ned i stedet for, selvom du starter dem med varme. De køler bare ned med tiden og krymper så at sige. Så det er stadig et mysterium, som vi skal løse,” forklarer Aaron David Schneider.
Kan justere vores egne klimamodeller
Selvom løsningen på mysteriet stadig er uklart, har forskerne spor. En af de mest lovende mekanismer til at forklare inflationsproblemet er mikroturbulens, da de atmosfæriske dynamiksimuleringer udført af de varme Jupiter-planeter kun regner med vind på en stor skala.
”De omfatter ikke små friktionsvinde, som også kunne transportere energi. Jeg tror, at det er den mest lovende forklaring, fordi man kan forestille sig, at det er en kaskade af disse små turbulensvinde, der transporterer energien nedad. Så jeg tror, at det kan være en årsag til inflation,” forklarer en anden hovedforfatter, Uffe Gråe Jørgensen, professor i astrofysik og planetarisk videnskab ved Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet.
Selvom den varme Jupiter WASP-76b, som de nye simuleringer er baseret på, er 640 lysår fra Jorden, bruger forskerne klimamodeller, der oprindeligt blev udviklet til Jorden, herunder et 3D-vindsystem og temperaturmodel – tilpasset arbejdet på exoplaneter.
”Når man laver klimamodeller på Jorden, har man en masse frie og ukendte parametre i sine modeller, som så kan lægges fast via af målinger med balloner, der flyver op og måler, så man kan rette op på det, der ikke er rigtigt. Og så kan modellerne på en eller anden måde se bort fra noget af den virkelige fysik. Men så kan man også sige, at ulempen er, at modellen så kun virker for det klima, vi har lige nu og for den jord, vi har lige nu,” siger Uffe Gråe Jørgensen.
Meget kan derfor læres ved at teste klimamodeller udviklet til Jorden med noget så ekstremt som en varm Jupiter-planet.
”Vi vil ikke rigtigt kunne se mange af de ting, der kan være en lille smule galt med modellerne hernede, hvis man kun har en temperaturstigning på 0,6 °C, men hvis temperaturen stiger flere grader, så kan de vise sig at være vigtige. Hvis man i stedet tager ud til Jupiter-planeter ved 10.000 °C, så vil man se vigtigheden af denne effekt meget tydeligere – her og nu,” siger Uffe Gråe Jørgensen.
Langt fra sandheden
Så hvis modellerne fejler på de fjerne planeter, må vi – ifølge forskerne – spørge os selv, hvorfor vi er sikre på, at vi kan bruge disse modeller til vores jord. Derfor kan de nye modeller af varme Jupiter-planeter potentielt bruges i en nær fremtid på Jorden til vejrforudsigelser og til forudsigelse af klimaets fremtid, men her og nu anvendes modellerne på exoplaneterne, hvor de også tjener til at besvare andre vigtige spørgsmål.
"Så hvordan ændres signalerne – emissionsspektrene fra disse planeter – hvis der er biologiske væsener til stede på en af disse planeter? For at besvare det spørgsmål må vi først vide, hvordan de ser ud uden liv. Vi har to typer af modeller. Vi har, hvad vi kalder en-dimensionel, hvor vi betragter planeten som ét gennemsnit. Og så ser vi, hvad det er for et spektrum, der kommer ud af det, og hvordan det påvirkes. Og den slags modeller kan, når de først virker, bruges ret nemt,” forklarer Uffe Gråe Jørgensen.
Men omkostningerne ved at kunne gøre det relativt hurtigt på én computer er, at forskere er nødt til at lave forenklinger. En nuværende forenkling er vejret.
”Tidligere måtte vi gå ud fra, at der ikke er vind, ingen bjerge og eller lignende. Bare stille og roligt. Og det er nok langt fra sandheden på de her ultravarme planeter,” siger Uffe Gråe Jørgensen.
"Vi håber, det vil hjælpe os til at blive bedre til at bestemme, hvordan spektret vil se ud, når vi ser fra Jorden på disse planeter. Hvis der er forskellige forhold og måske alle slags fysiske og kemiske forhold, men det kan også være biologiske forhold, så kan vi ved at simulere et miljø, der kan hjælpe os til at lære, hvordan livet påvirker atmosfæren på vores planet og andre planeter, til sidst få øje på, hvis der er liv derude,” slutter Aaron David Schneider.
