Аналіз показує: поверхня планети, ймовірно, складається з базальту або мантійної породи, яка за своїм складом схожа на багату силікатами земну кору.
Група дослідників під керівництвом постдокторанта і стипендіата NASA Sagan Себастьяна Зіби (Sebastian Zieba) з Гарвард-Смітсонівського центру астрофізики та Лори Крайдберґ (Laura Kreidberg), директора та головного дослідника Інституту астрономії імені Макса Планка, проаналізувала склад поверхні кам’янистої екзопланети LHS 3844 b. Крім характеристики екзопланетних атмосфер, таке вивчення геологічних властивостей планет, що обертаються навколо далеких зір, є наступним кроком у розкритті їхньої природи. Результати дослідження опубліковано в журналі Nature Astronomy.
Темна та безповітряна кам’яниста суперземля
LHS 3844 b — це кам’яниста планета, яка на 30% більша за Землю та здійснює один оберт навколо холодного червоного карлика приблизно за 11 годин. Обертаючись на відстані лише трьох діаметрів материнської зорі, планета припливно заблокована на своїй орбіті. Це означає, що один оберт займає стільки ж часу, скільки й один оберт навколо осі. Як наслідок, одна й та сама півкуля LHS 3844 b завжди обернена до зорі. Це означає, що на одному боці планети постійно триває день і її середня температура становить приблизно 725 градусів за шкалою Цельсія. Система LHS 3844 міститься лише за 48,5 світлових років від Землі.
«Завдяки дивовижній чутливості JWST ми можемо виявити світло, що йде прямо з поверхні цієї кам’янистої планети», — сказала Крайдберґ. «Ми бачимо темну, гарячу, безплідну породу, позбавлену будь-якої атмосфери».
Зі своєю темною поверхнею LHS 3844 b може нагадувати збільшену версію Місяця або планети Меркурій. Цей висновок ґрунтується на аналізі інфрачервоного випромінювання, отриманого з гарячої денної сторони планети. Однак, вимірюючи це випромінювання, ми не можемо бачити планету прямо; натомість ми реєструємо повторювану зміну яскравості, яку отримуємо від зорі та планети, що обертається навколо неї, разом узятих.
Прилад середнього інфрачервоного діапазону (Mid-Infrared Instrument, MIRI) JWST дав змогу виділити в інфрачервоному випромінюванні планети в діапазоні від 5 до 12 мікрометрів менші ділянки довжин хвиль та виміряти яскравість для кожного інтервалу довжин хвиль. Це те, що астрономи називають спектром, розподілом компонентів світла на окремі складові. Інший набір даних, отриманих зі спостережень за допомогою космічного телескопа «Спітцер» та оприлюднений кілька років тому, дав змогу доповнити аналіз.
Обмеження геологічної активності
Подібно до того, як дослідження екзопланетних атмосфер виграло від кліматології, ця нова галузь екзопланетної геології спирається на геологічні знання, отримані на Землі. Зіба, Крайдберґ та їхні колеги використали моделі з доступом до бібліотек шаблонів гірських порід і мінералів, відомих на Землі, Місяці та Марсі, щоб побачити, які інфрачервоні сигнатури вони створять в умовах LHS 3844 b. Порівняння даних спостережень з цими розрахунками дало змогу впевнено відхилити з розгляду склад, схожий зі складом земної кори, зазвичай багатої на силікатні мінерали, такі як граніт.
Хоча цей результат не є дуже дивним — навіть у Сонячній системі Земля є єдиною планетою з такою корою — він може розкрити подробиці геологічної історії LHS 3844 b. Науковці вважають, що земна кора, багата на силікати, утворилася в результаті тривалого процесу подрібнення, який вимагає тектонічної активності та зазвичай залежить від води як мастила. Кам’янистий матеріал неодноразово плавиться та твердне, змішуючись з мантійним матеріалом, залишаючи легші мінерали на поверхні.
«Оскільки LHS 3844 b не має такої силікатної кори, можна зробити висновок, що тектоніка плит, подібна до земної, не притаманна цій планеті або вона неефективна», — зазначив Зіба. «Ця планета, ймовірно, містить мало води».
Який висновок можна зробити про кам’янисту поверхню екзопланети?
Натомість темна поверхня вказує на склад, що нагадує земний чи місячний базальт, або ж матеріал земної мантії. Однак астрономи спробували охарактеризувати його докладніше.
Статистичний аналіз того, як добре спектр планети відповідає різним мінеральним сумішам та конфігураціям, показав, що протяжні тверді ділянки базальту або магматичної породи найкраще відповідають спостереженням. Вони багаті на магній та залізо і можуть містити олівін. Подрібнений матеріал, такий як каміння або гравій, також досить добре відповідає спостереженням, тоді як зерна або порошки не відповідають спостереженням через свій яскравіший вигляд, принаймні на перший погляд.
Без захисної атмосфери планети піддаються космічному вивітрюванню, яке переважно спричиняє жорстке, енергійне випромінювання від материнської зорі та удари метеоритів різних розмірів.
«Виявляється, ці процеси не лише повільно розчиняють тверді породи, перетворюючи їх на реголіт — шар дрібних зерен або порошку, який можна знайти на Місяці», — пояснив Зіба. «Вони також затемнюють поверхневий шар, додаючи залізо та вуглець, що робить властивості реголіту більш узгодженими зі спостереженнями».
Геологічно свіжа чи вивітрена? Два можливі сценарії
Така оцінка дала астрономам два сценарії для поверхні планети, які однаково добре відповідають даним. Один передбачає поверхню, на якій переважає темна, тверда порода, що складається з базальтових або магматичних мінералів. Як порівняти з геологічними часовими шкалами, космічне вивітрювання швидко змінює її властивості. Тому астрономи роблять висновок, що за цим сценарієм поверхня має бути відносно свіжою, утвореною нещодавньою геологічною активністю, такою як поширений вулканізм.
Другий сценарій також передбачає існування темної поверхні, схожої на поверхню Місяця або Меркурія. Однак він враховує тривале космічне вивітрювання, яке призводить до утворення великих ділянок, покритих темним шаром реголіту — дрібного порошку, який також присутній на Місяці, про що свідчать знакові фотографії слідів астронавтів. Цей альтернативний варіант спирається на триваліші періоди геологічної неактивності, що вимагає умов, протилежних першому сценарію.
Спроби вирішити неоднозначність
Ці дві альтернативи відрізняє ступінь потрібної нещодавньої геологічної активності. На Землі та інших активних об’єктах Сонячної системи типовим явищем під час такої активності є виділення газів. Діоксид сірки (SO2) — це газ, який зазвичай пов’язують з вулканізмом. Якщо він присутній на LHS 3844 b у розумних кількостях, MIRI мав би його виявити. Однак він нічого не виявив. Тому недавній період активності здається малоймовірним, що змушує астрономів схилятися до другого сценарію. Якщо це правда, LHS 3844 b може дійсно бути дуже схожою на Меркурій.
Щоб перевірити свою ідею, Зіба, Крайдберґ та їхні колеги вже використовують більш прямий підхід. Вони отримали час для додаткових спостережень на JWST, які мають дати їм змогу розпізнавати стан поверхні, використовуючи невеликі відмінності в тому, як тверді плити та порошки випромінюють або відбивають світло. Розподіл кутів випромінювання залежить від шорсткості поверхні, яка впливає на кількість випромінювання, отриманого під заданим кутом огляду. Такий метод астрономи успішно застосовують для характеристики астероїдів у Сонячній системі.
«Ми впевнені, що та сама методика дозволить нам з’ясувати природу кори LHS 3844 b, а в майбутньому — й інших кам’янистих екзопланет», — підсумувала Крайдберґ.
За інф. з сайту www.cfa.harvard.edu
