Lavahavene forklarer måske ikke lysstyrken af ​​nogle varme superjorde

Nok noget af det mærkeligste, mest ekstreme planeter blandt de mere end 4, 000 exoplaneter, der er opdaget til dato, er de varme superjorder - stenet, flammende varme verdener, der synger så betænkeligt tæt på deres værtsstjerner, at nogle af deres overflader sandsynligvis er smeltede hav af smeltet lava.

Disse brændende verdener, på størrelse med Jorden, er kendt mere stemningsfuldt som "lava-ocean planeter, "og videnskabsmænd har observeret, at en håndfuld af disse varme superjorde er usædvanligt lyse, og faktisk lysere end vores egen strålende blå planet.

Præcis hvorfor disse fjerntliggende ildkugler er så klare er uklart, men nye eksperimentelle beviser fra videnskabsmænd ved MIT viser, at den uventede glød fra disse verdener sandsynligvis ikke skyldes hverken smeltet lava eller afkølet glas (dvs. hurtigt størknet lava) på deres overflader.

Forskerne kom til denne konklusion efter at have afhørt problemet på en forfriskende direkte måde:smeltning af sten i en ovn og måling af lysstyrken af ​​den resulterende lava og afkølede glas, som de derefter brugte til at beregne lysstyrken af ​​områder på en planet dækket af smeltet eller størknet materiale. Deres resultater afslørede, at lava og glas, i det mindste som et produkt af de materialer, de smeltede i laboratoriet, er ikke reflekterende nok til at forklare den observerede lysstyrke af visse lava-oceanplaneter.

Deres resultater tyder på, at varme superjorder kan have andre overraskende funktioner, der bidrager til deres lysstyrke, såsom metalrige atmosfærer og stærkt reflekterende skyer.

"Vi har stadig så meget at forstå om disse lava-oceanplaneter, " siger Zahra Essack, en kandidatstuderende i MIT's Department of Earth, Atmosfærisk, og Planetvidenskab. "Vi tænkte på dem som bare glødende stenkugler, men disse planeter kan have komplekse systemer af overflade- og atmosfæriske processer, der er ret eksotiske, og ikke noget, vi nogensinde har set før."

Essack er den første forfatter til en undersøgelse, der beskriver holdets resultater, som vises i dag i The Astrophysical Journal . Hendes medforfattere er tidligere MIT postdoc Mihkel Pajusalu, som var medvirkende til eksperimentets indledende opsætning, og Sara Seager, klassen af ​​1941 professor i planetarisk videnskab, med ansættelser i afdelingerne for Fysik og Luftfart og Astronautik.

Mere end kulkugler

Varme superjorder er mellem en og 10 gange Jordens masse, og har ekstremt korte omløbsperioder, kredser om deres værtsstjerne på kun 10 dage eller mindre. Forskere har forventet, at disse lavaverdener ville være så tæt på deres værtsstjerne, at enhver mærkbar atmosfære og skyer ville blive fjernet. Deres overflader som et resultat ville være mindst 850 kelvin, eller 1, 070 grader Fahrenheit - varmt nok til at dække overfladen i oceaner af smeltet sten.

Forskere har tidligere opdaget en håndfuld superjorder med uventet høje albedoer, eller lysstyrker, hvor de reflekterede mellem 40 og 50 procent af lyset fra deres stjerne. Sammenlignet med, jordens albedo, med alle dets reflekterende overflader og skyer, er kun omkring 30 pct.

"Du ville forvente, at disse lavaplaneter var en slags kulkugler, der kredser i rummet - meget mørke, slet ikke særlig lyst, " siger Essack. "Så hvad gør dem så lyse?"

En idé har været, at lavaen i sig selv kan være hovedkilden til planeternes lysstyrke, selvom der aldrig havde været noget bevis, enten i observationer eller eksperimenter.

"Så at være MIT-folk, vi besluttede, Okay, vi burde lave noget lava og se om det er lyst eller ej, " siger Essack.

At lave lava

For først at lave lava, holdet havde brug for en ovn, der kunne nå temperaturer høje nok til at smelte basalt og feldspat, de to stentyper, som de valgte til deres eksperimenter, da de er velkarakteriseret materiale, der er almindeligt på Jorden.

Det viser sig, de behøvede i starten ikke at se længere end støberiet på MIT, et rum inden for Institut for Materialevidenskab og Teknik, hvor uddannede metallurger hjælper studerende og forskere med at smelte materialer i støberiets ovn til forskning og klasseprojekter.

Essack bragte prøver af feldspat til støberiet, hvor metallurger bestemte, hvilken type digel de skulle placeres i, og de temperaturer, som de skulle opvarmes til.

"De taber det i ovnen, lad stenene smelte, tag det ud, og så bliver hele stedet til en ovn selv - det er meget varmt, " siger Essack. "Og det var en utrolig oplevelse at stå ved siden af ​​denne lyse glødende lava, føler den varme."

Imidlertid, eksperimentet løb hurtigt op mod en forhindring:lavaen, når den blev trukket ud af ovnen, næsten øjeblikkeligt afkølet til en glat, glasagtigt materiale. Processen skete så hurtigt, at Essack ikke var i stand til at måle lavaens reflektionsevne, mens den stadig var smeltet.

Så hun tog det afkølede feldspatglas med til et spektroskopilaboratorium, hun designede og implementerede på campus for at måle dets reflektans, ved at skinne et lys på glasset fra forskellige vinkler og måle mængden af ​​lys, der reflekteres tilbage fra overfladen. Hun gentog disse eksperimenter for afkølet basaltglas, hvoraf prøver blev doneret af kolleger på Syracuse University, der driver Lava Project. Seager besøgte dem for et par år siden for en foreløbig version af eksperimentet, og på det tidspunkt indsamlede basaltprøver nu brugt til Essacks eksperimenter.

"De smeltede en kæmpe masse basalt og hældte det ned ad en skråning, og de chippede det op for os, " siger Seager.

Efter at have målt lysstyrken af ​​afkølet basalt- og feldspatglas, Essack kiggede gennem litteraturen for at finde reflektionsmålinger af smeltede silikater, som er en vigtig bestanddel af lava på Jorden. Hun brugte disse målinger som en reference til at beregne, hvor lys den oprindelige lava fra basalt- og feldspatglasset ville være. Hun vurderede derefter lysstyrken af ​​en varm superjord dækket enten helt af lava eller afkølet glas, eller kombinationer af de to materialer.

Til sidst, hun fandt det, uanset kombinationen af ​​overfladematerialer, albedo af en lava-ocean planet ville ikke være mere end omkring 10 procent - temmelig mørk sammenlignet med de 40 til 50 procent albedo observeret for nogle varme super-jorde.

"Dette er ret mørkt sammenlignet med Jorden, og ikke nok til at forklare lysstyrken af ​​de planeter, vi var interesserede i, " siger Essack.

Denne erkendelse har indsnævret søgeområdet for fortolkning af observationer, og leder fremtidige undersøgelser til at overveje andre eksotiske muligheder, såsom tilstedeværelsen af ​​atmosfærer rig på reflekterende metaller.

"Vi er ikke 100 procent sikre på, hvad disse planeter er lavet af, så vi indsnævrer parameterrummet og guider fremtidige undersøgelser mod alle disse andre potentielle muligheder, " siger Essack.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.