På Titan, Saturnus största måne, regnar det regelbundet. Precis som med jorden är dessa regn resultatet av att vätska avdunstar på ytan, kondenserar i himlen och faller tillbaka till ytan som nederbörd. På jorden är detta känt som det hydrologiska (eller vattnets) kretsloppet, vilket är en oumbärlig del av vårt klimat. I Titans fall finns samma steg där, men det är metan som byts ut och inte vatten.
Under de senaste åren har forskare hittat bevis på liknande mönster som involverar exoplaneter, med allt från smält metall till lavaregn! Detta väcker frågan om hur exotiska regnet kan vara på främmande världar. Nyligen ett team av forskare från Havard University genomfört en studie där de undersökte hur regn skulle skilja sig åt i en mångfald av extrasolära planetariska miljöer.
Denna forskning utfördes av Kaitlyn Loftus , en Ph.D. student från Harvard's Institutionen för geo- och planetvetenskap . Hennes övervakande professor (och medförfattare på studien) var Robin D. Wordsworth, som leder Wordsworth Planetary Climate and Atmospheric Evolution Research Group på Harvards Högskolan för teknik och yrkeshögskola (HAV).
Stenarna som ses här längs Saldasjöns strandlinje i Turkiet bildades med tiden av mikrober som fångar mineraler och sediment i vattnet. Kredit: NASA/JPL-Caltech
Forskning om nederbörd och registreringar av tidigare nederbörd på jorden har lärt forskare mycket om klimatets dynamiska natur. Tyvärr är samma forskning ännu inte möjlig med exoplaneter, vilket hindrar forskare från att kunna sätta strängare begränsningar på deras potentiella beboelighet. Men kunskap om dessa förhållanden på jorden har hjälpt forskare att förutsäga planetariska klimat Mars och Titan.
För sin studies skull undersökte Loftus och Wordsworth hur detta kunde tillämpas på exoplaneter också. Som Loftus förklarade för Universe Today via e-post:
'En nyckelkomponent för beboelighet är klimatet (för att testa om en planet kan bära flytande ytvatten). En viktig drivkraft för osäkerhet när det gäller att förstå klimatet i olika planetariska miljöer (även, säg, den nuvarande övergången av den moderna jorden till högre CO2-nivåer) är hur moln beter sig. Nederbörd är ett viktigt sätt för moln att 'dö', så att förstå hur nederbörd fungerar kan hjälpa oss att begränsa molnbeteende och så småningom bättre förutsäga planetariskt klimat.
'Nederbörd hjälper dessutom till att kontrollera hur mycket vatten som stannar i atmosfären. Eftersom vattenånga är en mycket bra växthusgas kan denna balansering av hur mycket vatten som finns i atmosfären också påverka klimatet...Slutligen är nederbörd en viktig komponent i den negativa återkopplingsmekanismen för att stabilisera planetariska klimat (karbonat-silikatcykeln) som ligger till grund för konceptet med exoplanetens 'beboeliga zon'.
Exoplanet Kepler 62f skulle behöva en atmosfär rik på koldioxid för att vatten ska vara i flytande form. Konstnärens illustration: NASA Ames/JPL-Caltech/T. Pyle
Denna kunskap kommer att vara väsentlig, tillade Loftus, när nästa generations teleskop ansluter sig till sökandet efter potentiellt beboeliga exoplaneter. Under de kommande åren kommer astronomer och astrobiologer att kunna genomföra direkta avbildningsstudier av exoplanetatmosfärer. Att ha modeller på plats som förutsäger hur moln och vattenånga beter sig på dessa planeter kommer att gå långt för att mäta deras beboelighet.
Även om det är mycket svårt att förutsäga nederbördsmönstren för en avlägsen exoplanet, är en komponent som lätt kan förstås beteendet hos enskilda regndroppar. Med tanke på att varje regndroppe som faller från ett moln styrs av en kombination av vätskedynamik, termodynamik och atmosfäriska förhållanden, kan deras studie avslöja mycket om en planets klimat.
Loftus och Prof. Wordsworth fortsatte med att visa hur tre nyckelegenskaper kunde beräknas utifrån tre nyckelegenskaper: deras form, deras fallhastighet och den hastighet med vilken de avdunstar. sa Loftus:
'Moln och nederbörd är mycket beroende av vad som händer på mycket små skalor (molndroppar/regndroppar ~mikron-millimeter), medelstora skalor (moln, kilometer-10s kilometer) och mycket stora skalor (vattenbudgetar i planetarisk skala) . Att representera alla dessa skalor exakt i en enda modell är inte möjligt med moderna (eller överskådlig framtid) datorer.'
En konstnärsillustration av exoplaneten HR8799e. ESO:s GRAVITY-instrument på sin Very Large Telescope Interferometer gjorde den första direkta optiska observationen av denna planet och dess atmosfär. Bildkredit: ESO/L. Calçada
'Vad vi försöker göra är att använda den enklaste och bäst förstådda komponenten i vattnets kretslopp - regndroppar under ett moln - för att begränsa det som är 'viktigt' bland all komplexitet,' tillade hon. Viktigt är förvisso en subjektiv term, men i det här fallet innebär det att spåra hur mycket atmosfärisk vattenånga som ytterst kommer att bli vatten på ytan – ett nyckelkrav för existensen av liv som vi känner det.
Från dessa tre egenskaper kunde de få ett enkelt uttryck för att förklara regndroppars beteende från mer komplicerade ekvationer. Till slut fann de att det (över ett brett spektrum av planetförhållanden) bara var regndroppar i ett relativt smalt storleksintervall som kunde nå ytan. Som Loftus indikerade, kan deras forskning möjliggöra förbättrade representationer av nederbörd i komplexa klimatmodeller i framtiden:
'Just nu drivs mycket av det vi förstår om hur moln och nederbörd fungerar i ett större klimatsystem av vad vi ser (och har sett) på jorden. Detta lämnar dock en hel del osäkerhet i hur giltigt det är att överföra sådan empiri till regimer där många fysiska förutsättningar är olika.
'[S]o det finns många stora frågetecken kring alla icke-moderna geovetenskapliga frågor som beror på hur moln/nederbörd beter sig. Detta arbete försöker långsamt bygga upp kapaciteten att utveckla teoretiskt baserade förväntningar på hur moln och nederbörd ska bete sig utanför den moderna jorden och att i slutändan sätta bättre begränsningar på de stora frågetecken.'
NASA:s James Webb-teleskop, som visas i den här konstnärens föreställning, kommer att ge mer information om tidigare upptäckta exoplaneter. Efter 2020 förväntas många fler nästa generations rymdteleskop bygga vidare på vad de upptäcker. Kredit: NASA
Detta kommer att vara väldigt användbart när James Webb rymdteleskop lanserades den 31 oktoberst, 2021. Med hjälp av sin avancerade uppsättning infraröda instrument och spektrometrar,James Webbkommer att kunna studera atmosfärerna hos exoplaneter med mindre massa som kretsar närmare sina stjärnor - dvs där potentiellt beboeliga stenplaneter är mest sannolikt att vistas.
Dessa kommer att göra det möjligt för forskare att bestämma den kemiska sammansättningen av dessa planeters atmosfärer, vilket kan inkludera vattenånga och andra avslöjande 'biosignaturer'. Andra teleskop, som ESO:s Extremt stort teleskop (ELT), den Jätte Magellan-teleskopet (GMT) och Nancy Grace romerska rymdteleskop kommer att kunna genomföra liknande direkta avbildningsstudier av exoplaneter.
Dessa instrument kommer att möjliggöra oöverträffade nivåer av exoplanetkarakterisering, vilket är något exoplanetstudier har övergått till under de senaste åren. Med över 4000 bekräftade exoplaneter tillgängliga för studier, är astronomer inte längre uteslutande fokuserade på att hitta lovande kandidater för studier. Vid denna tidpunkt handlar det om att ta reda på vilka av dessa kandidater som uppfyller kraven för livet!
Resultaten publicerades i en tidning, med titeln ' Fysiken för fallande regndroppar i olika planetariska atmosfärer ', som nyligen dök upp online och skickades in för publicering till Journal of Geophysical Research: Planeter .
Vidare läsning: arXiv
Bildtext för lead:Konstnärens intryck av en solnedgång sett från ytan av en jordliknande exoplanet. Kredit: ESO/L. Calçada