En exoplanet på størrelse med jorden kan have mistet sin oprindelige atmosfære, men fik en anden gennem vulkanisme

I kredsløb om en rød dværgstjerne 41 lysår væk er en på størrelse med Jorden, stenet exoplanet kaldet GJ 1132 b. På nogle måder, GJ 1132 b har spændende paralleller til Jorden, men på andre måder er det meget anderledes. En af forskellene er, at den er smoggy, diset atmosfære indeholder en giftig blanding af brint, metan og hydrogencyanid. Forskere, der bruger NASAs Hubble-rumteleskop, har fundet beviser for, at dette ikke er planetens oprindelige atmosfære. og at den første blev sprængt væk af blærende stråling fra GJ 1132 b's nærliggende moderstjerne. Den såkaldte "sekundære atmosfære" menes at blive dannet, da smeltet lava under planetens overflade konstant siver op gennem vulkanske sprækker. Gasser, der siver gennem disse sprækker, ser ud til konstant at genopbygge atmosfæren, som ellers også ville blive strippet væk af stjernen. Det er første gang, en sekundær atmosfære er blevet opdaget i en verden uden for vores solsystem.

Forskere, der bruger NASAs Hubble-rumteleskop, har fundet beviser for, at en planet, der kredser om en fjern stjerne, kan have mistet sin atmosfære, men fået en anden gennem vulkansk aktivitet.

Planeten, GJ 1132 b, antages at være begyndt som en gasformig verden med et tykt brinttæppe af atmosfære. Starter med flere gange Jordens diameter, denne såkaldte "sub-Neptun" menes hurtigt at have mistet sin oprindelige brint- og heliumatmosfære på grund af den intense stråling fra det varme, ung stjerne, den kredser om. På kort tid, sådan en planet ville blive strippet ned til en bar kerne på størrelse med Jorden. Det var da tingene blev interessante.

Til astronomernes overraskelse, Hubble observerede en atmosfære, som ifølge deres teori, er en "sekundær atmosfære", der er til stede nu. Baseret på en kombination af direkte observationsbevis og inferens gennem computermodellering, holdet rapporterer, at atmosfæren består af molekylært brint, hydrogencyanid, metan og indeholder også en aerosoltåge. Modellering tyder på, at aerosolen er baseret på fotokemisk producerede kulbrinter, ligner smog på jorden.

Forskere fortolker den nuværende atmosfæriske brint i GJ 1132 b som brint fra den oprindelige atmosfære, der blev absorberet i planetens smeltede magmakappe og nu langsomt frigives gennem vulkanske processer for at danne en ny atmosfære. Atmosfæren, vi ser i dag, menes løbende at blive genopfyldt for at balancere den brint, der slipper ud i rummet.

"Det er super spændende, fordi vi tror på, at atmosfæren, som vi ser nu, blev regenereret, så det kunne være en sekundær atmosfære, " sagde undersøgelsens medforfatter Raissa Estrela fra NASA's Jet Propulsion Laboratory (JPL) i det sydlige Californien. "Vi troede først, at disse stærkt bestrålede planeter kunne være ret kedelige, fordi vi troede, at de mistede deres atmosfære. Men vi så på eksisterende observationer af denne planet med Hubble og sagde, 'Åh nej, der er en atmosfære der.'"

Resultaterne kan have betydning for andre exoplaneter, planeter uden for vores solsystem.

"Hvor mange jordiske planeter begynder ikke som jordiske? Nogle starter måske som sub-Neptuner, og de bliver til terrestriske gennem en mekanisme, der foto-fordamper den oprindelige atmosfære. Denne proces virker tidligt i en planets liv, når stjernen er varmere, " sagde hovedforfatter Mark Swain fra JPL. "Så køler stjernen ned, og planeten sidder bare der. Så du har denne mekanisme, hvor du kan lave mad fra atmosfæren i de første 100 millioner år, og så ordner tingene sig. Og hvis du kan regenerere atmosfæren, måske du kan beholde den."

På nogle måder GJ 1132 b, ligger omkring 41 lysår fra Jorden, har fristende paralleller til Jorden, men på nogle måder er det meget anderledes. Begge har lignende tætheder, lignende størrelser, og lignende aldre, er omkring 4,5 milliarder år gammel. Begge startede med en brintdomineret atmosfære, og begge var varme, før de kølede af. Holdets arbejde tyder endda på, at GJ 1132 b og Jorden har lignende atmosfærisk tryk ved overfladen.

Men planeterne har dybt forskellige dannelseshistorier. Jorden menes ikke at være den overlevende kerne af en sub-Neptun. Og Jorden kredser i en behagelig afstand fra vores sol. GJ 1132 b er så tæt på sin røde dværgstjerne, at den fuldfører et kredsløb om sin værtsstjerne én gang hver halvanden dag. Denne ekstremt tætte nærhed holder GJ 1132 b tidevandslåst, viser det samme ansigt til sin stjerne hele tiden - ligesom vores måne holder en halvkugle permanent vendt mod Jorden.

"Spørgsmålet er, hvad holder kappen varm nok til at forblive flydende og driver vulkanisme?" spurgte Swain. "Dette system er specielt, fordi det har mulighed for ret meget tidevandsopvarmning."

Tidevandsopvarmning er et fænomen, der opstår gennem friktion, når energi fra en planets kredsløb og rotation spredes som varme inde i planeten. GJ 1132 b er i en elliptisk bane, og tidevandskræfterne, der virker på den, er stærkest, når den er tættest på eller længst fra sin værtsstjerne. Mindst én anden planet i værtsstjernens system trækker også gravitationsmæssigt på planeten.

Konsekvenserne er, at planeten klemmes eller strækkes gennem denne gravitationelle "pumpning". Den tidevandsopvarmning holder kappen flydende i lang tid. Et nærliggende eksempel i vores eget solsystem er Jupiters måne Io, som har kontinuerlig vulkansk aktivitet på grund af en tidevands-tovtrækning fra Jupiter og de tilstødende jovianske måner.

I betragtning af GJ 1132 b's varme interiør, holdet mener, at planeten er køligere, overliggende skorpe er ekstremt tynd, måske kun hundredvis af fod tykt. Det er alt for svagt til at understøtte noget, der ligner vulkanske bjerge. Dets flade terræn kan også være revnet som en æggeskal på grund af tidevandsbøjning. Brint og andre gasser kan frigives gennem sådanne revner.

NASAs kommende James Webb-rumteleskop har evnen til at observere denne exoplanet. Webbs infrarøde vision kan tillade videnskabsmænd at se ned til planetens overflade. "Hvis der er magma pools eller vulkanisme i gang, disse områder bliver varmere, " forklarede Swain. "Det vil generere mere emission, og så vil de potentielt se på den faktiske geologiske aktivitet - hvilket er spændende!"

Holdets resultater vil blive offentliggjort i et kommende nummer af Det astronomiske tidsskrift .