Кредит: Pixabay/CC0 Public Domain
Исследуя химические процессы, наблюдаемые в горячей мантии Земли, ученые Корнелла начали разработку библиотеки спектральных сигнатур на основе базальта, которая не только поможет раскрыть состав планет за пределами нашей Солнечной системы, но и сможет продемонстрировать наличие воды на этих экзопланетах.
«Когда мантия Земли тает, образуются базальты», — сказал Эстебан Газель, профессор инженерных наук. По его словам, базальт, серо-черная вулканическая порода, встречающаяся по всей Солнечной системе, является ключевым рекордсменом геологической истории.
«Когда марсианская мантия расплавилась, она также произвела базальты. Луна в основном состоит из базальта», — 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 Ферст, бывший научный сотрудник Корнеллского университета, а ныне доцент Макалестер-колледжа в Миннесоте, являются авторами книги «Потенциал наблюдения геологического разнообразия по средним инфракрасным спектрам скалистых экзопланет», которая опубликована 14 ноября в журнале Nature Astronomy.
По словам Газеля, понимание того, как минералы фиксируют процессы, которые создали эти породы, и их спектроскопические характеристики, является первым шагом в развитии их библиотеки.
«Мы знаем, что большинство экзопланет будут производить базальты, учитывая, что металличность их звезд-хозяев приведет к образованию мантийных минералов (силикатов железа и магния), так что, когда они плавятся, фазовые равновесия (равновесие между двумя состояниями материи) предсказывают, что образующиеся лавы будет базальтовым», — сказал Газель. «Оно будет распространено не только в нашей солнечной системе, но и по всей галактике».
Сначала измерили излучательную способность — степень, в которой поверхность излучает энергию, с которой она сталкивается — 15 образцов базальта, чтобы определить спектральные характеристики того, что может обнаружить спектрометр среднего инфракрасного диапазона космического телескопа.
Как только базальтовые расплавы извергаются на экзопланете и остывают, базальты затвердевают, превращаясь в твердую породу, известную на Земле как лава. Эта порода может взаимодействовать с водой, если она есть, в результате чего образуются новые гидратированные минералы, которые легко обнаружить в инфракрасных спектрах. Эти измененные минералы могут стать амфиболами (водным силикатом) или серпентином (еще одним водным силикатом, похожим на змеиную кожу).
По словам Газеля, исследуя небольшие спектральные различия между образцами базальта, ученые теоретически могут определить, была ли когда-то на экзопланете текущая поверхностная вода или вода внутри нее.
Доказательство наличия воды не появляется мгновенно, и необходимы дальнейшие работы, прежде чем можно будет использовать этот тип обнаружения. Космическому телескопу Джеймса Уэбба (JWST), находящемуся примерно в 1 миллионе миль от Земли, потребуются десятки или сотни часов, чтобы сфокусироваться на одной системе, находящейся на расстоянии световых лет, а затем еще больше времени для анализа данных.
Исследовательская группа в поисках каменистой экзопланеты, чтобы смоделировать свои гипотезы и рассмотреть 15 различных сигнатур, использовала данные экзопланеты суперземли LHS 3844b, которая вращается вокруг красного карлика на расстоянии немногим более 48 световых лет.
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 сказал, что инструменты моделирования сначала использовались для других приложений. «Инструменты кодирования Ишана изначально использовались для изучения ледяных лун Солнечной системы», — сказала она. «Сейчас мы наконец пытаемся перенести то, что мы узнали о Солнечной системе, на экзопланеты».
«Цель заключалась не в том, чтобы конкретно оценить планету LHS 3844b, — сказал Ферст, — а в том, чтобы рассмотреть вероятный диапазон базальтовых скалистых экзопланет, которые можно было бы наблюдать JWST и другими обсерваториями в ближайшие годы».
Что касается экзопланет, исследователи заявили, что исследование каменистых поверхностей в научной литературе в основном ограничивалось отдельными точками данных — обнаружением доказательств только одного типа химического вещества — но ситуация меняется на несколько компонентов по мере того, как наблюдатели используют JWST.
По словам геологов, пытаясь выявить признаки, связанные с минералогией и химическим составом (например, сколько кремния, алюминия и магния содержится в породе), геологи могут рассказать немного больше 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 океанских островах, таких как Гавайи, — сказал Первый, — вы заметите некоторые различия в основном химическом составе. Массовая химия может содержать различные минералы, поэтому обе эти характеристики являются важными для изучения».
Информация от: Корнельским университетом
