Met behulp van MIRI (Mid-Infrared Instrument) aan boord van de James Webb ruimtetelescoop (JWST) heeft een team van onderzoekers onder leiding van voormalig MPIA-promovendus (Max Planck Instituut voor Astronomie, Heidelberg, Duitsland) Ph.D.-student Sebastian Zieba (Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian, Cambridge, VS) en Laura Kreidberg, directeur van het MPIA en hoofdonderzoeker van de studie, de samenstelling van het oppervlak van de rotsachtige exoplaneet LHS 3844 b geanalyseerd. Naast het karakteriseren van exoplanetaire atmosferen is het ontrafelen van de geologische eigenschappen van planeten die rond verre sterren draaien de volgende stap in het blootleggen van hun aard.
Een donkere en luchtloze rotsachtige superaarde
LHS 3844 b is een rotsachtige planeet die 30% groter is dan de aarde en in ongeveer 11 uur één baan om een koele rode dwergster aflegt. De planeet draait op slechts drie sterdiameters boven het oppervlak van de moederster en is getijdegebonden aan zijn baan. Dit betekent dat één omwenteling om zijn as even lang duurt als één omloop om de ster. Daardoor is altijd hetzelfde halfrond van LHS 3844 b naar de ster gericht, waardoor er een constante dagzijde ontstaat met een gemiddelde temperatuur van ongeveer 1000 Kelvin (ongeveer 725 graden Celsius of 1340 graden Fahrenheit). Het LHS 3844-stelsel bevindt zich op slechts 48,5 lichtjaar (14,9 parsec) afstand van de aarde. “Dankzij de verbazingwekkende gevoeligheid van de JWST kunnen we licht detecteren dat rechtstreeks van het oppervlak van deze verre rotsachtige planeet komt. We zien een donkere, hete, kale rots, verstoken van enige atmosfeer,” aldus Laura Kreidberg, MPIA.
Met zijn donkere oppervlak lijkt LHS 3844 b misschien op een grotere versie van de maan of de planeet Mercurius. Deze conclusie is gebaseerd op de analyse van de infraroodstraling die afkomstig is van de hete dagzijde van de planeet. Bij het meten van deze straling kunnen we de planeet echter niet rechtstreeks waarnemen; in plaats daarvan registreren we de terugkerende verandering in helderheid die we ontvangen van de ster en de rondcirkelende planeet samen. MIRI verdeelde een deel van de infraroodstraling van de planeet, variërend van 5 tot 12 micrometer, in kleinere golflengtesecties en mat de helderheid per golflengteband. Dit is wat astronomen een spectrum noemen, een regenboogachtige verdeling van de componenten van het licht. Een ander gegevenspunt, verkregen uit waarnemingen met de Spitzer-ruimtetelescoop en enkele jaren geleden gepubliceerd, vulde de analyse aan.
Beperking van geologische activiteit
Net zoals het onderzoek naar de atmosferen van exoplaneten baat heeft gehad bij de klimaatwetenschap, put dit opkomende gebied van de exoplanetaire geologie uit geologische kennis over de aarde. Zieba, Kreidberg en hun medewerkers voerden simulaties uit en maakten gebruik van databanken met modellen van gesteenten en mineralen die bekend zijn van de aarde, de maan en Mars, om te zien welke infraroodsignaturen deze zouden produceren onder de omstandigheden op LHS 3844 b. Door op observaties gebaseerde gegevens te vergelijken met deze berekeningen kon met zekerheid worden uitgesloten dat de samenstelling vergelijkbaar is met die van de aardkorst, die doorgaans bestaat uit silicaatrijke mineralen zoals graniet. Hoewel dit resultaat niet erg verrassend is, zelfs in het zonnestelsel is de aarde de enige planeet met een dergelijke korst, kan het details onthullen over de geologische geschiedenis van LHS 3844 b. Aangenomen wordt dat aardachtige, silicaatrijke korsten ontstaan door een langdurig verfijningsproces dat tektonische activiteit vereist en doorgaans afhankelijk is van water als smeermiddel. Het gesteente smelt en stolt herhaaldelijk terwijl het zich vermengt met materiaal uit de mantel, waardoor de lichtere mineralen aan het oppervlak achterblijven. “Aangezien LHS 3844 b geen dergelijke silicaatkorst heeft, kan men concluderen dat aardachtige platentektoniek niet van toepassing is op deze planeet, of dat deze niet effectief is”, zegt Sebastian Zieba. “Deze planeet bevat waarschijnlijk slechts weinig water.”
Wat kunnen we hieruit afleiden over het rotsachtige oppervlak van de exoplaneet?
Het donkere oppervlak wijst daarentegen op een samenstelling die doet denken aan basalt op aarde of op de maan, of aan materiaal uit de aardmantel. De astronomen probeerden echter een nog gedetailleerdere karakterisering te maken. Een statistische analyse van hoe goed dit spectrum past bij verschillende minerale mengsels en configuraties, toonde aan dat uitgestrekte vaste gebieden van basalt of magmatisch gesteente het beste overeenkomen met de waarnemingen. Deze zijn rijk aan magnesium en ijzer en kunnen olivijn bevatten. Verpletterd materiaal, zoals rotsen of grind, past ook redelijk goed, terwijl korrels of poeders niet in overeenstemming zijn met de waarnemingen vanwege hun helderdere uiterlijk, althans op het eerste gezicht. Zonder een beschermende atmosfeer worden planeten blootgesteld aan ruimteverwering, voornamelijk veroorzaakt door harde, energetische straling van de moederster en inslagen van meteorieten van verschillende grootte. “Het blijkt dat deze processen niet alleen harde rotsen langzaam oplossen tot regoliet, een laag van fijne korrels of poeder zoals die op de maan wordt aangetroffen,” legt Zieba uit. “Ze maken de laag ook donkerder door ijzer en koolstof toe te voegen, waardoor de eigenschappen van de regoliet beter overeenkomen met de waarnemingen.”
Geologisch jong of verweerd? Twee mogelijke scenario’s
Deze analyse leverde de astronomen twee scenario’s op voor het oppervlak van de planeet die even goed aansluiten bij de gegevens. Het ene scenario gaat uit van een oppervlak dat wordt gedomineerd door donker, vast gesteente, bestaande uit basaltische of magmatische mineralen. In vergelijking met geologische tijdschalen verandert de eigenschappen ervan door ruimteverwering snel. Daarom concluderen de astronomen dat het oppervlak in dit scenario relatief jong zou moeten zijn, gevormd door recente geologische activiteit, zoals wijdverspreid vulkanisme. Het tweede scenario stelt eveneens een donker oppervlak voor, vergelijkbaar met dat van de maan of Mercurius. Het houdt echter rekening met langdurige ruimteverwering, wat leidt tot uitgestrekte gebieden bedekt met een donkere regolietlaag, een fijn poeder dat ook op de maan aanwezig is, zoals blijkt uit de iconische foto's van de voetafdrukken van de astronauten. Dit alternatief gaat uit van langere perioden van geologische inactiviteit, waardoor omstandigheden vereist zijn die tegengesteld zijn aan het eerste scenario.
Pogingen om de onduidelijkheid op te lossen
Deze twee scenario’s verschillen in de mate van recente geologische activiteit die daarvoor nodig is. Op aarde en andere actieve hemellichamen in het zonnestelsel is ontgassing een typisch verschijnsel tijdens dergelijke activiteit. Zwaveldioxide (SO₂) is een gas dat vaak in verband wordt gebracht met vulkanisme. Als dit gas in redelijke hoeveelheden op LHS 3844 b aanwezig zou zijn, had MIRI het moeten detecteren. Toch heeft de telescoop niets gevonden. Daarom lijkt een recente periode van activiteit onwaarschijnlijk, wat de astronomen ertoe brengt de voorkeur te geven aan het tweede scenario. Als dit klopt, lijkt LHS 3844 b inderdaad sterk op Mercurius. Om hun idee te toetsen, volgen Zieba, Kreidberg en hun collega's al een meer directe aanpak. Ze hebben aanvullende JWST-waarnemingen verkregen, waarmee ze de toestand van het oppervlak zouden moeten kunnen onderscheiden door gebruik te maken van kleine verschillen in de manier waarop vaste platen en poeders licht uitstralen of weerkaatsen. De verdeling van de emissiehoeken hangt af van de ruwheid van het oppervlak, wat van invloed is op de hoeveelheid straling die bij een bepaalde kijkhoek wordt ontvangen. Dit concept wordt met succes toegepast bij het karakteriseren van asteroïden in het zonnestelsel. “We zijn ervan overtuigd dat we met dezelfde techniek de aard van de korst van LHS 3844 b en, in de toekomst, andere rotsachtige exoplaneten kunnen verduidelijken”, concludeert Kreidberg.
Bron: Phys.org
