Een nabijgelegen 'superaarde' biedt wetenschappers een zeldzame kans om direct een glimp op te vangen van het blootgestelde oppervlak van een verre rotsachtige planeet die weinig gelijkenis vertoont met de aarde. De planeet, genaamd LHS 3844 b, is een hete, donkere, atmosfeerloze wereld met een samenstelling van het oppervlak en geologische omstandigheden die dichter bij die van de maan of Mercurius liggen dan bij aardachtige planeten, zo blijkt uit de laatste waarnemingen.

Het wetenschappelijk onderzoeksteam gebruikte het midden-infraroodinstrument MIRI op de James Webb Space Telescope (JWST) van de National Aeronautics and Space Administration (NASA) om gedetailleerde observaties van de zonnekant van de planeet uit te voeren. Het onderzoek werd geleid door Sebastian Ziba, die promoveerde aan het Max Planck Instituut voor Astronomie (MPIA) in Heidelberg, Duitsland, en Laura Kreidberg, directeur van MPIA en hoofdonderzoeker van het project, was erbij betrokken. Vergeleken met de eerdere focus op de atmosferen van exoplaneten, verlegt dit werk de onderzoeksgrens verder naar de "exoplaneetgeologie" - waarbij wordt geprobeerd de samenstelling van het oppervlak en de evolutionaire geschiedenis van rotsachtige planeten buiten het zonnestelsel direct te beperken. Relevante resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nature Astronomy.

LHS 3844 b is een rotsachtige planeet met een straal die ongeveer 30% groter is dan de aarde. Hij draait op extreem korte afstand rond een koude rode dwergster, met een omlooptijd van slechts ongeveer 11 uur, en de afstand tussen de planeet en zijn moederster bedraagt ​​slechts ongeveer drie stellaire diameters. Zo'n krappe baan zorgt ervoor dat de planeet getijde-locked is, waarbij de ene kant altijd in de richting van de ster schijnt en de andere kant permanent in duisternis is. Het zonneoppervlak is zo heet als ongeveer 1.000 Kelvin (ongeveer 725 graden Celsius), en het hele planetenstelsel bevindt zich slechts ongeveer 48,5 lichtjaar verwijderd van de aarde.

Dankzij de uitstekende gevoeligheid van de Webb-telescoop konden onderzoekers rechtstreeks de helderheid van thermische straling vanaf het oppervlak van deze rotsachtige planeet meten. "Wat we zagen was een donkere, hete, dorre rots met absoluut geen waarneembare atmosfeer", zei Kreidberg over de waarnemingen. Omdat telescopen het cirkelvormige oppervlak van de planeet niet direct kunnen bepalen, gebruikten de onderzoekers 'secundaire eclips'- en 'fasecurve'-technieken om de infraroodstraling die door het zonneoppervlak van de planeet wordt uitgezonden, om te keren door de zwakke fluctuaties in de totale helderheid van het hele systeem te volgen terwijl de baan verandert.

MIRI observeert het systeem in de 5–12 micron-band en verdeelt deze band verder in fijnere subbanden om de midden-infrarode spectrale verdeling van de planetaire oppervlaktestraling te verkrijgen. Het team heeft ook eerdere gegevens van de Spitzer-ruimtetelescoop in de analyse verwerkt om de robuustheid van de spectrale fit te verbeteren. Door de helderheid op verschillende golflengten te vergelijken met theoretische modellen, konden onderzoekers een verscheidenheid aan mogelijke combinaties van oppervlaktemateriaal onderzoeken, van de granietkorst van de aarde tot basalt in maanstijl en uit de mantel afkomstige lava.

De berekeningen sluiten expliciet oppervlaktescenario's uit die vergelijkbaar zijn met de continentale korst van de aarde. De silicaatrijke granietkorst van de aarde wordt meestal gevormd door langdurige platentektoniek en magma-recycling, waarbij vaak vloeibaar water nodig is. Door herhaaldelijk smelten en differentiëren kunnen lichte mineralen geleidelijk naar de oppervlakte drijven. Ziba merkte op dat het spectrum van LHS 3844 b geen spoor vertoont van deze silicaatrijke, granieten korst, wat betekent dat aardse platentektoniek nooit op de planeet heeft plaatsgevonden of al lang niet meer functioneert. Dit impliceert ook dat het interne watergehalte van de planeet extreem laag is, wat wezenlijk verschilt van de "aardeachtige planeten" in de gebruikelijke zin.

Waarnemingen ondersteunen daarentegen een "basalt-gedomineerde" oppervlaktescène. Het model dat het meest consistent is met de gegevens is een groot gebied van basaltgesteente gevormd door het stollen van uit de mantel afkomstig magma, vergelijkbaar met de uitgestrekte basaltvlakten op aarde of de ‘maria’ op de maan. Deze rotsen zijn doorgaans rijk aan magnesium en ijzer en bevatten een verscheidenheid aan ijzer-magnesiumsilicaatmineralen zoals olivijn. De fit toonde aan dat grovere gesteente- of grindlagen ook goed zouden overeenkomen met de waarnemingen, terwijl een oppervlak dat uitsluitend uit fijn stof bestond te helder zou zijn om aan de huidige waarnemingen te voldoen.

Door het ontbreken van een atmosferische barrière wordt het oppervlak van LHS 3844 b volledig blootgesteld aan de straling van de moederster en het bombardement van meteoroïden, en heeft het lange tijd last gehad van zogenaamde ‘ruimteverwering’. Deze processen breken het harde gesteente geleidelijk op in kleine deeltjes die lijken op maanregoliet en verrijken het oppervlak met ijzer en koolstof, waardoor het materiaal donkerder en endothermischer wordt. Ziba wees erop dat het deze verweerde donkere regoliet is die de algehele optische en infrarode eigenschappen van het planeetoppervlak consistenter maakt met waarnemingen.

Op basis van bestaande gegevens stelde het team twee mogelijke scenario's voor oppervlakte-evolutie voor. De eerste is dat het oppervlak van de planeet grotendeels bedekt is met relatief ‘jong’ basaltgesteente, wat erop wijst dat recente of aanhoudende vulkanische activiteit vers gesmolten gesteente naar de oppervlakte heeft gebracht. Het tweede type is het ‘oude’ oppervlak dat wordt gedomineerd door langdurige verwering in de ruimte: de voormalige magmavlakte is gedurende honderden miljoenen jaren herhaaldelijk bewerkt door bestraling en inslagen, en is bedekt met een dikke, donkere verweringslaag, zoals die van de maan of Mercurius. Afgaande op de spectrale morfologie komt deze laatste scène van "lange termijn stilte" meer overeen met waarnemingen.

Om onderscheid te maken tussen deze twee scenario's is een belangrijke indicator de vraag of er sprake is van aanhoudende vulkanische activiteit op de planeet. Op veel geologisch actieve hemellichamen stoten vulkanen grote hoeveelheden gas uit, waarvan zwaveldioxide (SO₂) een van de typische tracers is. Als LHS 3844 b sterke hedendaagse vulkanische activiteit heeft, zou MIRI theoretisch karakteristieke absorptiebanden voor SO₂ in het midden-infraroodspectrum moeten kunnen identificeren. Bij waarnemingen zijn dergelijke kenmerken echter niet ontdekt, wat de mogelijkheid van recente vulkanische activiteit aanzienlijk verkleint, maar in plaats daarvan de verklaring ondersteunt dat het oppervlak al lange tijd "afkoelt en inactief" is, waardoor het qua uiterlijk dichter bij Mercurius staat.

Om het ware uiterlijk van deze planeet verder te verduidelijken, heeft het onderzoeksteam meer vervolg-JWST-waarnemingen gepland. Een van de belangrijkste taken is het meten van de thermische stralings- en reflectie-eigenschappen van het planeetoppervlak onder verschillende kijkhoeken, waarbij gebruik wordt gemaakt van de manier waarop licht wordt verstrooid om ruwe rotsachtige oppervlakken te onderscheiden van relatief gladde of losse materialen. Dit type technologie is succesvol geweest bij het bestuderen van asteroïden in het zonnestelsel, en nu het wordt getransplanteerd naar het veld van exoplaneten, zal het wetenschappers naar verwachting in staat stellen te bepalen of de oppervlaktelaag van LHS 3844 b een hele rotsplaat, een lavavlakte of een dikke opeenhoping van poeder en puin is.

Kreidberg zei dat het team er vertrouwen in heeft dat het gebruik van dezelfde methode niet alleen de aardkorsteigenschappen van LHS 3844 b zal onthullen, maar ook informatie op oppervlakteniveau zal opleveren voor meer rotsachtige exoplaneten in de toekomst. De JWST-waarnemingen die hier worden gebruikt, zijn afkomstig van het General Observation Project 1846, getiteld 'Searching for Signs of Volcanoes and Geodynamics on the Hot Rocky Exoplanet LHS 3844 b', waarvoor zij hoofdwetenschapper is en Ren Ru co-leider is. Instellingen die aan dit onderzoek deelnemen, zijn gevestigd in de Verenigde Staten, Duitsland, China en andere landen, waaronder het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, California Institute of Technology, Jet Propulsion Laboratory, Peking University, Pennsylvania State University, NASA Goddard Space Flight Center en vele Europese universiteiten en onderzoeksinstellingen.

Het MIRI-instrument dat verantwoordelijk is voor deze waarneming is ontwikkeld door een gezamenlijk team uit vele Europese landen, waaronder België, Denemarken, Frankrijk, Duitsland, Ierland, Nederland, Spanje, Zweden, Zwitserland en het Verenigd Koninkrijk. Relevant werk werd uitgevoerd met de financiering van nationale wetenschappelijke onderzoeksinstellingen in elk land. In Duitsland zijn de belangrijkste financiers de Max Planck Society en het Duitse Lucht- en Ruimtevaartcentrum, en deelnemende eenheden zijn onder meer het Max Planck Instituut voor Astronomie in Heidelberg, de Universiteit van Keulen en de Hensold Company. Als een van de belangrijkste ruimteastronomiefaciliteiten van vandaag wordt de James Webb-ruimtetelescoop geleid door NASA, met deelname van de European Space Agency en de Canadian Space Agency, en zet hij zich in voor het openen van nieuwe vensters op het gebied van de vroege vorming van sterrenstelsels, de geboorte van sterren en planeten, en de atmosfeer en oppervlakte-eigenschappen van exoplaneten. Voordien had de Spitzer-ruimtetelescoop de basis gelegd voor exoplaneetonderzoek door middel van infraroodwaarnemingen, en de gerelateerde projecten werden namens NASA beheerd door het Jet Propulsion Laboratory van het California Institute of Technology.