Близлежащая «супер-Земля» предоставляет учёным редкую возможность увидеть открытую поверхность далекой каменистой планеты, мало похожей на Землю. Планета, названная LHS 3844 b, представляет собой горячий, темный мир без атмосферы, состав поверхности и геологические условия которого ближе к Луне или Меркурию, чем к планетам земного типа, как показывают последние наблюдения.

Научно-исследовательская группа использовала прибор среднего инфракрасного диапазона MIRI на космическом телескопе Джеймса Уэбба (JWST) Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) для проведения подробных наблюдений солнечной стороны планеты. Исследование возглавил Себастьян Зиба, получивший докторскую степень в Институте астрономии Макса Планка (MPIA) в Гейдельберге, Германия, при участии Лауры Крейдберг, директора MPIA и главного исследователя проекта. По сравнению с предыдущим исследованием атмосфер экзопланет, эта работа еще больше продвигает границы исследований в сторону «геологии экзопланет» — пытаясь напрямую ограничить состав поверхности и историю эволюции скалистых планет за пределами Солнечной системы. Соответствующие результаты были опубликованы в журнале Nature Astronomy.

LHS 3844 b — каменистая планета с радиусом примерно на 30% больше Земли. Она вращается вокруг холодного красного карлика на чрезвычайно близком расстоянии, с орбитальным периодом всего около 11 часов, а расстояние между планетой и ее родительской звездой составляет всего около трех звездных диаметров. Такая узкая орбита приводит к тому, что планета оказывается приливно-зависимой: одна сторона всегда сверкает в сторону звезды, а другая постоянно находится во тьме. Ее солнечная поверхность имеет температуру около 1000 Кельвинов (около 725 градусов по Цельсию), а вся планетная система находится всего в 48,5 световых годах от Земли.

Благодаря превосходной чувствительности телескопа Уэбб исследователи смогли напрямую измерить яркость теплового излучения с поверхности этой каменистой планеты. «То, что мы видели, было темной, горячей, бесплодной скалой без абсолютно никакой атмосферы», — сказал Крейдберг о наблюдениях. Поскольку телескопы не могут напрямую определить круглую поверхность планеты, исследователи использовали методы «вторичного затмения» и «фазовой кривой», чтобы инвертировать инфракрасное излучение, испускаемое поверхностью Солнца планеты, путем отслеживания слабых колебаний общей яркости всей системы при изменении орбиты.

MIRI наблюдает за системой в диапазоне 5–12 микрон и далее делит этот диапазон на более мелкие поддиапазоны, чтобы получить спектральное распределение излучения поверхности планеты в среднем инфракрасном диапазоне. Команда также включила в анализ предыдущие данные космического телескопа Спитцер, чтобы повысить надежность спектральной аппроксимации. Сравнивая яркость на разных длинах волн с теоретическими моделями, исследователи смогли изучить множество потенциальных комбинаций поверхностных материалов, от гранитной коры Земли до базальтов лунного типа и лав, полученных из мантии.

Расчеты явно исключают поверхностные сценарии, подобные континентальной коре Земли. Богатая силикатами гранитная кора Земли обычно формируется в результате длительной тектоники плит и переработки магмы, часто требующей участия жидкой воды. Повторное плавление и дифференциация позволяют легким минералам постепенно всплывать на поверхность. Зиба отметил, что в спектре LHS 3844 b нет никаких признаков этой богатой силикатами гранитной коры, а это означает, что тектоника плит земного типа либо никогда не наблюдалась на планете, либо давно перестала функционировать. Это также означает, что внутреннее содержание воды на планете чрезвычайно низкое, что существенно отличается от «землеподобных планет» в привычном понимании.

Напротив, наблюдения подтверждают картину поверхности с «преобладанием базальта». Модель, наиболее согласующаяся с данными, представляет собой большую область базальтовой породы, образовавшуюся в результате затвердевания мантийной магмы, похожую на обширные базальтовые равнины на Земле или «Марию» на Луне. Эти породы обычно богаты магнием и железом и содержат различные силикатные минералы железа и магния, такие как оливин. Подгонка показала, что более грубые слои камня или гравия также хорошо соответствуют наблюдениям, в то время как поверхность, состоящая исключительно из мелкой пыли, будет слишком яркой, чтобы соответствовать текущим наблюдениям.

Из-за отсутствия атмосферного барьера поверхность LHS 3844 b полностью подвержена излучению родительской звезды и бомбардировке метеороидов, а также долгое время страдала от так называемого «космического выветривания». Эти процессы постепенно разбивают твердую породу на мельчайшие частицы, похожие на лунный реголит, и обогащают ее поверхность железом и углеродом, делая материал более темным и более эндотермическим. Зиба отметил, что именно этот выветрившийся темный реголит делает общие оптические и инфракрасные свойства поверхности планеты более соответствующими наблюдениям.

Основываясь на существующих данных, команда предложила два возможных сценария эволюции поверхности. Во-первых, поверхность планеты широко покрыта относительно «молодыми» базальтовыми породами, что позволяет предположить, что недавняя или продолжающаяся вулканическая активность выбрасывала на поверхность свежую расплавленную породу. Второй тип — это «старая» поверхность, на которой преобладает длительное космическое выветривание: бывшая магматическая равнина неоднократно подвергалась облучению и ударам на протяжении сотен миллионов лет и покрыта толстым темным слоем выветривания, как на Луне или Меркурии. Судя по спектральной морфологии, эта последняя сцена «долговременного молчания» больше соответствует наблюдениям.

Чтобы различать эти два сценария, ключевым индикатором является наличие на планете продолжающейся вулканической активности. На многих геологически активных небесных телах вулканы выделяют большое количество газа, одним из типичных индикаторов которого является диоксид серы (SO₂). Если LHS 3844 b обладает сильной современной вулканической активностью, MIRI теоретически сможет идентифицировать характерные полосы поглощения SO₂ в среднем инфракрасном спектре. Однако наблюдения не обнаружили таких особенностей, что значительно снижает вероятность недавней вулканической активности, но вместо этого подтверждает объяснение о том, что ее поверхность долгое время «остывала и находилась в состоянии покоя», что делало ее по внешнему виду ближе к Меркурию.

Чтобы дополнительно прояснить истинный внешний вид этой планеты, исследовательская группа запланировала дополнительные наблюдения JWST. Одной из ключевых задач является измерение теплового излучения и отражательных свойств поверхности планеты под разными углами наблюдения, используя способ рассеяния света, чтобы отличить шероховатые скалистые поверхности от относительно гладких или рыхлых материалов. Этот тип технологии оказался успешным при изучении астероидов в Солнечной системе, и теперь, будучи перенесенным в область экзопланет, он, как ожидается, позволит ученым определить, является ли поверхностный слой LHS 3844 b цельной каменной плитой, лавовой равниной или толстым скоплением порошка и обломков.

Крейдберг заявил, что команда уверена, что использование того же метода не только выявит свойства коры LHS 3844 b, но и предоставит информацию «на уровне поверхности» для более скалистых экзопланет в будущем. Используемые здесь наблюдения JWST взяты из проекта общего наблюдения 1846 под названием «Поиск признаков вулканов и геодинамики на горячей скалистой экзопланете LHS 3844 b», в котором она является главным научным сотрудником, а Рен Ру — соруководителем. Учреждения, участвующие в этом исследовании, расположены в США, Германии, Китае и других странах, в том числе Гарвард-Смитсоновский центр астрофизики, Калифорнийский технологический институт, Лаборатория реактивного движения, Пекинский университет, Университет штата Пенсильвания, Центр космических полетов имени Годдарда НАСА, а также многие европейские университеты и исследовательские институты.

Прибор MIRI, отвечающий за это наблюдение, был разработан совместной группой из многих европейских стран, включая Бельгию, Данию, Францию, Германию, Ирландию, Нидерланды, Испанию, Швецию, Швейцарию и Великобританию. Соответствующие работы проводились при финансировании национальных научно-исследовательских учреждений каждой страны. В Германии основными спонсорами являются Общество Макса Планка и Немецкий аэрокосмический центр, а участвующие подразделения включают Институт астрономии Макса Планка в Гейдельберге, Кельнский университет и компанию Hensold. Космический телескоп Джеймса Уэбба, являющийся сегодня одним из наиболее важных объектов космической астрономии, возглавляется НАСА при участии Европейского космического агентства и Канадского космического агентства и призван открыть новые окна в области раннего формирования галактик, рождения звезд и планет, а также атмосферы и свойств экзопланет. До этого космический телескоп «Спитцер» заложил основу для исследования экзопланет посредством инфракрасных наблюдений, а связанные с ним проекты осуществлялись Лабораторией реактивного движения Калифорнийского технологического института от имени НАСА.