Ученые составляют библиотеку для оценки воды экзопланет

Автор: Pixabay/CC0 Public Domain

Исследуя химические процессы, наблюдаемые в горячей мантии Земли, ученые Корнеллского университета приступили к разработке библиотеки спектральных характеристик базальта, которая не только поможет раскрыть состав планет за пределами нашей Солнечной системы, но и может продемонстрировать наличие воды на этих экзопланетах.

«Когда мантия Земли плавится, она производит базальты», — сказал Эстебан Газель, профессор инженерии. Базальт, серо-черная вулканическая порода, встречающаяся по всей Солнечной системе, является ключевым регистратором геологической истории, сказал он.

«Когда марсианская мантия расплавилась, она также произвела базальты. Луна в основном базальтовая», — сказал он. «Мы тестируем базальтовые материалы здесь, на Земле, чтобы в конечном итоге выяснить состав экзопланет с помощью данных космического телескопа Джеймса Уэбба».

Газель и Эмили Фёрст, бывший научный сотрудник Корнеллского университета, а ныне доцент колледжа Макалестера в Миннесоте, являются авторами статьи «Потенциал наблюдения геологического разнообразия по спектрам скалистых экзопланет в среднем инфракрасном диапазоне», опубликованной 14 ноября в журнале Nature Astronomy.

По словам Газеля, понимание того, как минералы фиксируют процессы, в результате которых образовались эти породы, и их спектроскопические характеристики, является первым шагом в формировании их библиотеки.

«Мы знаем, что большинство экзопланет будут производить базальты, учитывая, что металличность их звезд-хозяев приведет к появлению мантийных минералов (железо-магниевые силикаты), так что когда они расплавятся, фазовое равновесие (равновесие между двумя состояниями вещества) предсказывает, что полученные лавы будут базальтовыми», — сказал Газель. «Это будет распространено не только в нашей солнечной системе, но и по всей галактике».

Сначала измерили излучательную способность (степень, в которой поверхность излучает встречающуюся ей энергию) 15 базальтовых образцов для спектральных характеристик того, что может обнаружить среднеинфракрасный спектрометр космического телескопа.

После того, как базальтовые расплавы извергаются на экзопланете и остывают, базальты затвердевают в твердую породу, известную на Земле как лава. Эта порода может взаимодействовать с водой, если она присутствует, что образует новые гидратированные минералы, которые легко обнаружить в инфракрасных спектрах. Эти измененные минералы могут стать амфиболом (водным силикатом) или серпентином (еще одним водным силикатом, который выглядит как змеиная кожа).

По словам Газеля, изучая небольшие спектральные различия между образцами базальта, ученые теоретически могут определить, была ли когда-то на экзопланете текущая поверхностная вода или вода находилась в ее недрах.

Доказательство наличия воды не появляется мгновенно, и необходимо провести дополнительную работу, прежде чем этот тип обнаружения можно будет использовать. Космическому телескопу Джеймса Уэбба (JWST) — примерно в 1 миллионе миль от Земли — понадобятся десятки или сотни часов, чтобы сфокусироваться на одной системе в световых годах от нас, а затем еще больше времени на анализ данных.

Исследовательская группа, ища каменистую экзопланету для моделирования ее гипотез и рассмотрения 15 различных сигнатур, использовала данные по экзопланете-суперземле LHS 3844b, которая вращается вокруг красного карлика на расстоянии чуть более 48 световых лет от нас.

Ишан Мишра, работающий в лаборатории Николь Льюис, доцента астрономии, написал компьютерный код, моделирующий спектральные данные First, чтобы смоделировать, как различные поверхности экзопланет могут выглядеть для JWST.

Льюис сказала, что инструменты моделирования сначала использовались для других приложений. «Инструменты кодирования Ишана изначально использовались для изучения ледяных лун в Солнечной системе», — сказала она. «Теперь мы наконец пытаемся перенести то, что мы узнали о Солнечной системе, на экзопланеты».

«Цель заключалась не в том, чтобы оценить конкретно планету LHS 3844b, — сказал Фёрст, — а в том, чтобы рассмотреть возможный диапазон базальтовых скалистых экзопланет, которые могли бы наблюдаться JWST и другими обсерваториями в ближайшие годы».

Что касается экзопланет, исследователи заявили, что изучение каменистых поверхностей в научной литературе в основном ограничивалось отдельными точками данных — обнаружением свидетельств только одного типа химического вещества, но по мере того, как наблюдатели используют JWST, ситуация меняется и становится все более многокомпонентной.

По словам геологов, пытаясь выделить признаки, связанные с минералогией и общим химическим составом (например, количество кремния, алюминия и магния в породе), геологи могут немного больше узнать об условиях, в которых образовалась порода.

«На Земле, если у вас есть базальтовые породы, извергающиеся из срединно-океанических хребтов глубоко на дне океана, по сравнению с теми, которые извергаются на океанических островах, таких как Гавайи, — сказал Фёрст, — вы заметите некоторые различия в химическом составе. Но даже породы со схожим химическим составом могут содержать разные минералы, поэтому обе эти характеристики важны для изучения».

Больше информации: Potential for observing geological diversity from mid-infrared spectra of rocky exoplanets, Nature Astronomy (2024). DOI: 10.1038/s41550-024-02412 -

Источник: Cornell University