Дослідники використовують спектри базальту для вивчення екзопланет і пошуку води за допомогою телескопа Джеймса Вебба. Вивчаючи хімічні процеси в гарячій мантії Землі, науковці з Корнельського університету створюють бібліотеку спектральних підписів на основі базальту. Це дослідження спрямоване на ідентифікацію складу планет за межами Сонячної системи та може надати докази наявності води на цих екзопланетах.
Розробка спектральної бібліотеки для вивчення екзопланет
Естебан Газель, професор інженерії, пояснює: «Коли мантія Землі плавиться, вона утворює базальт».
Базальт – це сіро-чорна вулканічна порода, що зустрічається в усьому Сонячному системі і є важливим носієм геологічної історії.
«Коли плавилася мантія Марса, вона також утворювала базальти. Місяць здебільшого складається з базальту, – додає Газель. – Ми досліджуємо базальтові матеріали тут, на Землі, щоб у майбутньому розпізнавати склад екзопланет за даними телескопа Джеймса Вебба».
Разом з Емілі Фьорст, колишньою постдокторанткою Корнельського університету, вони опублікували дослідження в журналі Nature Astronomy.
«Ми знаємо, що більшість екзопланет містять базальти, оскільки металічність їхніх зірок-господарів впливає на формування мантійних мінералів (залізо-магнієвих силікатів). Коли вони плавляться, фазові рівноваги передбачають утворення базальтової магми. Це поширене не лише в нашій Сонячній системі, а й у всій галактиці», – пояснює Газель.
Фьорст виміряла емісивність (здатність поверхні випромінювати енергію) 15 зразків базальту, щоб визначити спектральні підписи, які може зафіксувати середньоінфрачервоний спектрометр JWST.
Пошук води на екзопланетах
Коли базальтова магма на екзопланеті вивергається та охолоджується, вона твердне у породу, відому на Землі як лава. Якщо на планеті є вода, вона може взаємодіяти з лавою, утворюючи нові гідратовані мінерали, які легко розпізнати в інфрачервоному спектрі. Це можуть бути амфібол (гідратований силікат) або серпентин (інший гідратований силікат, схожий на зміїну шкіру).
Дослідники вважають, що, аналізуючи малі спектральні відмінності між зразками базальту, можна визначити, чи мала екзопланета рідку воду на поверхні або в надрах.
Виклики у виявленні води
Докази наявності води не з’являються миттєво, і потрібні додаткові дослідження, перш ніж ця методика стане ефективною. JWST, що знаходиться за мільйон миль від Землі, знадобляться десятки або навіть сотні годин, щоб сфокусуватися на одній системі на відстані світлових років, а потім ще більше часу на аналіз даних. Дослідницька група протестувала свою гіпотезу, використовуючи дані про суперземлю LHS 3844b – екзопланету, що обертається навколо червоного карлика на відстані понад 48 світлових років.
Ішан Мішра, дослідник у лабораторії Ніколь Льюїс, написав комп’ютерний код для моделювання спектральних даних Фьорст, щоб передбачити, як різні поверхні екзопланет можуть виглядати для JWST.
«Ішан спочатку розробляв цей код для вивчення крижаних супутників у Сонячній системі, – пояснює Льюїс. – Тепер ми нарешті застосовуємо ці знання до екзопланет».
Хоча дослідники не ставили за мету оцінити саме LHS 3844b, вони вивчали діапазон можливих базальтових планет, які JWST та інші обсерваторії зможуть досліджувати в майбутньому.
Важливість спектрального аналізу
Дослідження твердих поверхонь екзопланет було обмежене одиничними хімічними даними, проте завдяки JWST ситуація змінюється – науковці можуть вивчати кілька хімічних компонентів одночасно. Аналізуючи спектральні підписи мінералів і їхній хімічний склад (наприклад, рівень кремнію, алюмінію та магнію), геологи можуть отримати уявлення про умови формування порід.
«На Землі базальтові породи з середньоокеанських хребтів у глибинах океану відрізняються від тих, що вивергаються на океанічних островах, таких як Гаваї, – зазначає Фьорст. – Але навіть якщо хімічний склад схожий, мінеральний склад може бути різним, тому ці характеристики важливо вивчати».
Ці дослідження можуть допомогти не лише у виявленні води, а й у кращому розумінні геологічних процесів на далеких планетах.