Wetenschappers ontwikkelen nieuwe technologie om water op exoplaneten te detecteren met behulp van basaltspectroscopie

Onderzoekers gebruiken basaltspectroscopie om exoplaneten te bestuderen en gebruiken de James Webb-ruimtetelescoop om naar water te zoeken. Door chemische processen in de hete mantel van de aarde te bestuderen, bouwen wetenschappers van Cornell University een bibliotheek op basis van de spectrale kenmerken van basalt. Dit onderzoek heeft tot doel de samenstelling van exoplaneten te bepalen en bewijs te leveren voor water op deze exoplaneten.

Professor Esteban Gazel, hoogleraar techniek, zei: ‘Wanneer de aardmantel smelt, produceert deze basalt. Basalt is een grijszwart vulkanisch gesteente dat overal in het zonnestelsel voorkomt en een belangrijke registratie van de geologische geschiedenis is. Wanneer de mantel van Mars smelt, produceert het ook basalt. De maan bestaat voor het grootste deel uit basalt,’ zei hij. "We testen basaltmaterialen op aarde om uiteindelijk de samenstelling van exoplaneten op te helderen met behulp van gegevens van de James Webb Space Telescope."

Gazel en Emily First, een voormalig postdoctoraal onderzoeker aan de Cornell University en nu assistent-professor aan het Macalester College in Minnesota, zijn de auteurs van een studie die onlangs is gepubliceerd in Nature Astronomy.

Gazel zei dat het begrijpen van hoe mineralen de processen registreren die deze rotsen hebben gevormd, en wat hun spectrale kenmerken zijn, de eerste stap is in het ontwikkelen van een bibliotheek ervan: ‘We weten dat de meeste exoplaneten basalt produceren omdat de metalliciteit van hun gaststerren leidt tot mantelmineralen (ijzer-magnesiumsilicaten), zodat wanneer ze smelten, het fase-evenwicht (de balans tussen twee toestanden van materie) voorspelt dat de resulterende lava basalt zal zijn. Het zal niet alleen de overhand hebben in ons zonnestelsel, maar in de hele Melkweg.’

Eerst werden 15 basaltmonsters gemeten op hun emissiviteit, die verwijst naar de mate waarin een oppervlak de aangetroffen energie uitstraalt, wat kan helpen bij het zoeken naar spectrale kenmerken die de midden-infraroodspectrometer van de ruimtetelescoop zou kunnen detecteren.

Zodra basaltsmelt op een exoplaneet uitbarst en afkoelt, hardt het basalt uit tot een massief gesteente, bekend als lava op aarde. Als er water aanwezig is, zal het gesteente met het water interageren en nieuwe gehydrateerde mineralen vormen, die gemakkelijk kunnen worden gedetecteerd in infraroodspectra. Deze veranderde mineralen kunnen amfibool (een gehydrateerd silicaat) of serpentijn (een ander gehydrateerd silicaat dat op slangenhuid lijkt) worden.

Door kleine spectrale verschillen tussen basaltmonsters te bestuderen, konden wetenschappers theoretisch bepalen of exoplaneten ooit stromend oppervlakte- of binnenwater hadden, zei Gazelle.

Bewijs van water zou niet onmiddellijk duidelijk zijn en er zou verder onderzoek nodig zijn voordat deze detectiemethode zou kunnen worden toegepast. De James Webb Space Telescope (JWST) bevindt zich op ongeveer 1 miljoen kilometer van de aarde, en het duurt tientallen tot honderden uren om scherp te stellen op een systeem op een lichtjaar afstand, en dan nog meer tijd om de gegevens te analyseren.

Het onderzoeksteam gebruikte gegevens van de superaarde-exoplaneet LHS 3844b bij het zoeken naar een rotsachtige exoplaneet om hun hypothese te simuleren en vijftien verschillende kenmerken in overweging te nemen.

Ishan Mishra, die in het laboratorium van Nikole Lewis, universitair hoofddocent astronomie, werkt, schreef computercode om de spectrale gegevens van First te modelleren om te simuleren hoe verschillende exoplaneetoppervlakken zich zouden gedragen op JWST.

Lewis zei dat de modelleringstools oorspronkelijk bedoeld waren voor andere toepassingen. "De codeerhulpmiddelen van Ishan zijn oorspronkelijk ontwikkeld om ijzige manen in het zonnestelsel te bestuderen," zei ze. "We vertalen nu eindelijk wat we in het zonnestelsel hebben geleerd naar exoplaneten."

‘Ons doel was niet om LHS 3844b specifiek te evalueren,’ zei First, ‘maar om een ​​redelijk aantal basaltische exoplaneten te overwegen die JWST en andere observatoria de komende jaren zouden kunnen waarnemen.’

Als het om exoplaneten gaat, is de verkenning van rotsachtige oppervlakken grotendeels beperkt gebleven tot enkele datapunten – er werd alleen bewijs gevonden voor chemische typen in de wetenschappelijke literatuur – maar dat verschuift naar multi-component aangezien waarnemers profiteren van JWST, aldus de onderzoekers.

Door te proberen kenmerken te vinden die verband houden met de mineralogie en chemische samenstelling van de bulk - bijvoorbeeld hoeveel silicium, aluminium en magnesium er in het gesteente zit - kunnen geologen meer te weten komen over de omstandigheden waaronder het gesteente is gevormd, aldus geologen.

"Op aarde, als je basalt uitbarst uit de oceaanbodem diep in de oceaanruggen, en die basalt uitbarst op oceanische eilanden zoals Hawaï, dan zul je enkele verschillen vinden in de bulkchemie van die rotsen", zei First. "Maar zelfs bulkgesteenten met vergelijkbare chemische samenstellingen kunnen verschillende mineralen bevatten, dus dat zijn belangrijke kenmerken om te bestuderen."

Samengesteld uit /ScitechDaily