Die Entdeckung von Planeten außerhalb des Sonnensystems (Exoplaneten) hat unser Verständnis der Planetenbildung und der Entwicklung von Planetensystemen revolutioniert. Sie revolutioniert auch das Verständnis der Menschheit und ihres Platzes im Universum. Jüngste Beobachtungen am Boden und im Weltraum ermöglichen nun die Charakterisierung der Atmosphären von Exoplaneten, die eine große Vielfalt aufweisen.  Das Verständnis der Wolkenbildung ist einer der wichtigsten Schlüssel, um die Vielfalt der Atmosphären von Exoplaneten zu enträtseln, denn sie versperren uns die Sicht auf den Planeten, der uns interessiert. In unserem Sonnensystem sind Jupiter, Saturn und Uranus von Wolken bedeckt, und es ist schwierig bis unmöglich zu erkennen, was sich unter ihnen befindet.

Die Forschungsgruppe um IWF-Direktorin Christiane Helling ist besonders daran interessiert, das Wetter und Klima auf Exoplaneten zu verstehen, die verschiedene Muttersterne umkreisen (siehe obere Abbildung), wie und welche Wolken sich auf diesen Welten bilden und wie sie die lokale chemische Zusammensetzung und die Atmosphärenstrukturen beeinflussen. Außerdem wird untersucht, welche Auswirkung Ionisierungsprozesse (thermische, hochenergetische Strahlung, kosmische Strahlung) auf die lokale Chemie und die Wolkenteilchen haben. Dazu werden Modelle als virtuelle Labore genutzt, die den Zugang zu unerforschten Parameterräumen ermöglichen, um das Wetter und die Klimaprozesse auf noch unerforschten Welten zu untersuchen. Die grundlegende physikalische und chemische Modellierung, die in der Forschungsgruppe durchgeführt wird, bildet das Rückgrat für die Interpretation der Daten von Weltraummissionen wie dem James-Webb-Space-Teleskop und in Zukunft PLATO und ARIEL.

Die übergreifenden wissenschaftlichen Fragen, die diese Forschungsgruppe antreiben, sind:

  • Wie vielfältig sind Exoplaneten?
  • Ist unser eigenes Sonnensystem besonders oder typisch?
  • Wie können wir aus Beobachtungen zuverlässig auf die Eigenschaften von Exoplaneten schließen?
  • Wie können wir trotz der Komplexität des Systems Rückschlüsse auf die Geschichte von Exoplaneten ziehen?
  • Könnte sich Leben außerhalb des Sonnensystems entwickeln?

Die Forschungsgruppe entwickelt virtuelle Labors, d.h. Computercodes, die es ermöglichen, komplexe physikalische Prozesse zu kombinieren, um ihr Zusammenspiel zu erforschen und Parameterbereiche (wie Temperatur, Druck, Strahlungsfeld, chemische Regime) zu untersuchen, die bisher weder durch Beobachtungen noch durch Laborexperimente zugänglich sind. Dazu wird eng mit Forscher*innen zusammengearbeitet, die sich mit Planeten bildenden Scheiben befassen (einschließlich der IWF-Forschungsgruppe Protoplanetare Scheiben und Astrochemie), um das gesammelte Wissen an die nächste Generation von Forscher*innen innerhalb des CHAMELEON-Netzwerks weiterzugeben. Die Arbeit der Forschungsgruppe ermöglicht die wissenschaftliche Untersuchung von Beobachtungsdaten (Min et al. 2020, Chubb et al. 2020) zur Vorbereitung von Weltraummissionen wie JWST, PLATO und ARIEL.

Spezifische Themen, an denen die Gruppe arbeitet, sind:

  • Kinetische Wolkenbildung in verschiedenen atmosphärischen Umgebungen
  • Bildung von Wolkenkondensationskeimen auf anderen Planeten als der Erde
  • Globale Wolkenverteilung
  • Ionisierung, Ionosphären und Blitze auf extrasolaren Planeten
  • Chemische Zusammensetzung von Exoplanetenatmosphären
  • Wolken- und Gaschemie von Planetenatmosphären (WP116700, Leitung: Christiane Helling)
  • 3D-Modellierung des Exoplanetenklimas (WP116800, Leitung: Ludmila Carone)

Kinetic cloud formation in diverse atmospheric environments

Of particular interest is the formation of clouds in atmospheres of different exoplanets, the non-equilibrium and kinetic formation of many mixed material cloud particles, made of minerals and metal oxides (such as silicates, corundum, and iron oxide; Woitke & Helling 2003, 2004, Helling & Woitke 2006, Helling et al. 2008). We also explore the effect of turbulence on the cloud formation processes, like through particle-particle collisions causing the cloud particles to charge (Helling et al. 2011) or to grow further to form agglomerates. Our code HyLandS enables now the consistent solution of our microphysical cloud formation and their further growth through turbulent collisions (Samra et al. 2022).

Formation of cloud condensation nuclei in planets other than Earth

For gas-giant planets the first step of cloud formation proceeds by gas-gas reactions. Solid seed particles, so-called cloud condensation nuclei (CCN), are built up through a process called nucleation (Lee et al. 2018, Köhn et al. 2021). These CCN are needed for cloud formation to proceed, therefore it is important to know their formation rates and pathways. In order to do that, this group explores the geometries and thermodynamic properties of small gas-phase clusters for species such as Titanium dioxide and Vanadium oxide, to better understand the role they play in the formation of CCN.

Global cloud distribution

The formation of clouds around exoplanets is not uniform since planets that orbit their host star very closely may have very hot day-side of > 2000 K (e.g., HAT-P-7b, see figure) where no clouds can form. We explore the globale cloud distribution for planets orbiting different host stars based on the results of 3D Global Atmosphere Simulations consistently (Lee et al. 2016, Lines et al. 2018) but also by applying an hierarchical approach (e.g., Helling et al. 2019). Our specific interest is to discern the local cloud properties applying our first-principle micro-physical modelling approach (for a review see Helling 2019).

Ionisation, ionospheres and lightning on extrasolar planets

Exoplanet atmospheres may experience both thermal and non-thermal ionization of the gas phase and the cloud particles.. This paves the way for interactions with magnetic fields (Rodrigues-Barrera at al. 2015), which we know from Solar System planets can be complex, as well as for processes such as lightning (Helling et al. 2016, Helling 2019). The study of high-energy radiation reach different atmospheric layers and may enable new chemical processes (cosmic rays: Rimmer & Helling 2013, EUV: Barth et al. 2021).  Recent investigations of 3D GCM results suggest, for example for HAT-P-7b and WASP 18b, a deep ionosphere as well of atomic ions like Na+, Ca+, Fe+ or  Al+  to be present on the dayside of these planets (see also figure).

The ERC funded LEAP project has enabled to start this research.

Chemical composition of exoplanet atmospheres

Planetary atmospheres are the windows into any exoplanets and their chemical composition may be a finger print for the planets evolutionary state, for if clouds are present, and eventually, if there is breathable oxygen. The diversity of exoplanets requires a careful analysis of the atmospheric chemistry before one can jump to any conclusion of the detectable oxygen is in  fact breathable or if the detection is a so-called false positive (Woitke et al. 2021). Some of the observed exoplanet atmospheres of gas-giant exoplanets orbit their host star with a period of days. These exoplanets are also tidally locked, so that only one side of the planet permanently faces the star. The intense irradiation of this "dayside" leads to non-equilibrium photochemistry, as well as stellar energetic particle driven reactions, and reactions due to cosmic rays. These processes are capable of enhancing the formation of certain biomolecules, the precursors to amino-acids such as glycine (Barth et al. 2021).

Other processes that may leave fingerprints are lightning, for example on form of HCN (Hodosan et al. 2016) or or its effect on the NO2 content (Ardaseva et al. 2017). The photochemical rate networks STAND2015  (Rimmer & Helling 2016, 2019) has been developed to simulate the impact of non-equilibrium processes like lightning and  radiation from different host stars.

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