Poznali skład obcej planety. Pierwszy taki przypadek
Zapomnijcie o nudnych statystykach dotyczących masy i orbity. Astronomowie właśnie dobrali się do tego, co najważniejsze: do składu powierzchni planet w naszym bezpośrednim sąsiedztwie. Wiemy już nie tylko, że tam są, ale też z czego są zbudowane.
48 lat świetlnych od Ziemi krąży planeta, której nikt nigdy nie zobaczy gołym okiem, ale której powierzchnię naukowcy właśnie potrafili opisać na poziomie składu mineralnego. LHS 3844 b to skalista superziemia o 30 proc. większa od naszej planety, pozbawiona atmosfery, rozgrzana do ponad 700 st. C i pokryta ciemną skałą przypominającą bazalt lub materiał ziemskiego płaszcza. Wyniki opublikowane w Nature Astronomy przez zespół z Instytutu Astronomii im. Maxa Plancka w Heidelbergu to pierwszy w historii geologiczny portret powierzchni planety pozasłonecznej i zarazem moment, w którym astronomia zaczyna zamieniać się w geologię obcych światów.
To planeta dosłownie przyklejona do gwiazdy
LHS 3844 b nie jest typową egzoplanetą. Jest ekstremalna w niemal każdym parametrze, i to właśnie ta ekstremalność uczyniła ją idealnym celem dla takiego badania. Krąży wokół czerwonego karła na orbicie tak bliskiej, że jeden obieg zajmuje jej zaledwie 11 godzin. Odległość od gwiazdy to raptem trzy jej średnice. Gdyby przenieść tę orbitę do naszego Układu Słonecznego, planeta krążyłaby wewnątrz korony słonecznej.
Ta bliskość powoduje dwie rzeczy kluczowe dla obserwacji. LHS 3844 b jest zablokowana pływowo. Oznacza to, że tak jak Księżyc wobec Ziemi, zawsze zwraca ku gwieździe tę samą półkulę. Strona dzienna jest nieustannie rozgrzewana do średnio około 1000 kelwinów (ok. 725 st. C), podczas gdy strona nocna – pozbawiona jakiegokolwiek mechanizmu transportu ciepła, bo nie ma atmosfery – tonie w kosmicznym chłodzie. Ponadto gorąca strona dzienna emituje promieniowanie podczerwone na tyle intensywne, że Webb jest w stanie je wykryć, co przy chłodniejszych, dalszych planetach byłoby niemożliwe.
Potwierdzony jeszcze w 2019 r. brak atmosfery na podstawie danych z teleskopu Spitzer, który zmierzył krzywą fazową planety i nie znalazł żadnych oznak transportu ciepła jest w tej teorii kolejnym atutem. Gdyby LHS 3844 b miała atmosferę, jej sygnał podczerwony byłby zdominowany przez absorpcję gazów. Bez atmosfery promieniowanie pochodzi bezpośrednio z nagrzanej powierzchni skały i niesie informację o jej składzie.
Jak odczytać skład skały z odległości 48 lat świetlnych?
Zasada pomiaru brzmi prościej niż można by się spodziewać, choć jej realizacja wymagała najpotężniejszego teleskopu w historii. Różne minerały emitują i pochłaniają promieniowanie podczerwone na różnych długościach fal. Bazalt ma inne odciski palców w podczerwieni niż granit, oliwina inny niż plagioklaz, a lite skały inne niż drobny pył. Jeśli potrafisz zmierzyć widmo podczerwone powierzchni planety (rozkład jasności na różnych długościach fal) możesz porównać go z biblioteką widm mineralnych znanych z Ziemi, Księżyca i Marsa, i wywnioskować, z czego ta powierzchnia jest zbudowana.
Problem w tym, że planety nie da się zobaczyć osobno od gwiazdy. Są na tyle blisko, że ich światło zlewa się w jeden punkt nawet dla Webba. Zamiast tego astronomowie mierzą jasność całego systemu (gwiazda + planeta) wielokrotnie: gdy planeta jest widoczna (tuż przed wejściem za gwiazdę) i gdy znika za gwiazdą (zaćmienie wtórne). Różnica między tymi dwoma pomiarami to sygnał samej planety. To jak próba rozpoznania świeczki na tle reflektora z odległości kilometra.
Instrument MIRI (Mid-Infrared Instrument) na pokładzie Webba podzielił ten drobny sygnał na kilka przedziałów długości fal (od 5 do 12 mikrometrów) tworząc widmo emisyjne dziennej strony planety. Dodatkowy punkt danych, z archiwów teleskopu Spitzer (4,5 mikrometra), uzupełnił obraz.
Widmo ujawniła ciemna, bazaltowa pustka
Powierzchnia LHS 3844 b jest ciemna. Bardzo ciemna. Jej albedo, czyli stosunek odbitego do padającego światła, jest niskie, porównywalne z albedo Merkurego lub ciemnych mórz księżycowych. To natychmiast wyklucza jasne, bogate w krzemionkę minerały, jakie dominują na powierzchni Ziemi – granity, sjenity, anortozyty.
Porównanie widma z bibliotekami mineralnymi pozwoliło zespołowi pójść jeszcze dalej. Skład odpowiadający ziemskiej skorupie (bogate w krzemionkę minerały typu granitowego) został statystycznie wykluczony. To nie jest jakieś wielkie zaskoczenie, bo nawet w Układzie Słonecznym tylko Ziemia posiada taką skorupę.
Jej powstawanie wymaga długotrwałego procesu tektonicznego, w którym materiał płaszcza wielokrotnie topi się i krzepnie, a lżejsze minerały wynoszą się na powierzchnię. Ten proces potrzebuje wody jako smaru geologicznego i aktywnej tektoniki płyt – warunków, które na LHS 3844 b prawdopodobnie nigdy nie istniały.
Zamiast tego widmo najlepiej pasuje do bazaltu lub materiału zbliżonego do ziemskiego płaszcza – skał bogatych w magnez i żelazo, zawierających oliwinę. To minerały, które na Ziemi budują dno oceanów (bazalt) i wnętrze planety pod skorupą (perydotyt, dunit). Na LHS 3844 b materiał ten leży po prostu na wierzchu, wystawiony na promieniowanie gwiazdy i bombardowanie mikrometeorytami.
Lite skały czy kosmiczny pył? Ten dylemat dzieli naukowców
Analiza statystyczna wykazała, że widmo jest zgodne z dwoma typami powierzchni, ale niezgodne z trzecim. Rozległe, lite obszary bazaltu lub magmatycznej skały (jak zastygła lawa) pasują do danych najlepiej. Pokruszona skała i gruz skalny pasują nieco gorzej, ale wciąż akceptowalnie. Natomiast drobny proszek lub pył (regolit w stylu księżycowym) w swojej surowej, nienaruszonej formie jest zbyt jasny, żeby wyjaśnić obserwowaną ciemność powierzchni.
Przeczytaj także:
Tu pojawia się komplikacja, która czyni tę historię naprawdę fascynującą. Planeta pozbawiona atmosfery jest wystawiona na wietrzenie kosmiczne, czyli nieustanne bombardowanie promieniowaniem gwiazdy (w tym ultrafioletem i cząstkami naładowanymi) oraz uderzeniami meteorytów wszelkich rozmiarów.
Na Księżycu ten proces przez miliardy lat zmienił pierwotną skałę w regolit. Jednocześnie wietrzenie kosmiczne ciemni ten pył, bo dodaje do niego nanoskopijne ziarna żelaza i węgla, które obniżają albedo. Uwzględnienie tego efektu sprawia, że nawet pył staje się zgodny z obserwacjami, bo wietrzony regolit jest ciemniejszy niż świeży pył.
