Ученые составили библиотеку для оценки воды на экзопланетах

Исследуя химические процессы, наблюдаемые в горячей мантии Земли, ученые из Корнелла начали создавать библиотеку спектральных сигнатур базальтов, которые не только помогут определить состав планет за пределами нашей Солнечной системы, но и могут продемонстрировать наличие воды на этих экзопланетах.

«Когда мантия Земли плавится, образуются базальты, — говорит Эстебан Газель, профессор инженерных наук. По его словам, базальт — серо-черная вулканическая порода, встречающаяся по всей Солнечной системе, — является ключевым регистратором геологической истории.

«Когда марсианская мантия расплавилась, из нее также образовались базальты. Луна в основном состоит из базальтов», — сказал он. «Мы исследуем базальтовые материалы здесь, на Земле, чтобы в конечном итоге выяснить состав экзопланет с помощью данных космического телескопа Джеймса Уэбба».

Газель и Эмили Ферст, бывший постдокторант Корнелла, а ныне доцент колледжа Макалестер в Миннесоте, являются авторами статьи «Потенциал для наблюдения геологического разнообразия по спектрам каменистых экзопланет в среднем инфракрасном диапазоне», которая опубликована 14 ноября в журнале Nature Astronomy.

По словам Гейзела, понимание того, как минералы фиксируют процессы, в результате которых образовались эти породы, и их спектроскопические сигнатуры — это первый шаг в создании библиотеки.

«Мы знаем, что на большинстве экзопланет образуются базальты, поскольку металличность их звезды-хозяина приводит к образованию минералов мантии (железо-магниевых силикатов), и когда они плавятся, фазовые равновесия (равновесие между двумя состояниями вещества) предсказывают, что образующиеся лавы будут базальтовыми», — говорит Газель. «Она будет распространена не только в нашей Солнечной системе, но и во всей Галактике».

Сначала ученые измерили излучательную способность — степень, с которой поверхность излучает энергию, с которой она сталкивается, — 15 образцов базальтов на предмет спектральных признаков того, что может обнаружить спектрометр космического телескопа в среднем инфракрасном диапазоне.

Когда базальтовые расплавы извергаются на экзопланете и остывают, они затвердевают, превращаясь в твердую породу, известную на Земле как лава. Эта порода может взаимодействовать с водой, если она присутствует, что приводит к образованию новых гидратированных минералов, которые легко обнаружить в инфракрасном спектре. Эти измененные минералы могут превратиться в амфибол (гидратный силикат) или серпентин (еще один гидратный силикат, похожий на змеиную кожу).

Изучая небольшие спектральные различия между образцами базальта, ученые теоретически могут определить, была ли на экзопланете когда-то поверхностная вода или вода в ее недрах, говорит Газель.

Доказательства наличия воды не появляются мгновенно, и прежде чем использовать этот тип обнаружения, необходимо провести дополнительную работу. Космическому телескопу Джеймса Уэбба (JWST), находящемуся на расстоянии около 1 миллиона миль от Земли, потребуются десятки и сотни часов, чтобы сфокусироваться на одной системе, находящейся на расстоянии светового года, а затем еще больше времени на анализ полученных данных.

Исследовательская группа в поисках каменистой экзопланеты для моделирования своих гипотез и рассмотрения 15 различных сигнатур использовала данные суперземной экзопланеты LHS 3844b, которая вращается вокруг красного карлика на расстоянии чуть более 48 световых лет.

Ишан Мишра, работающий в лаборатории Николь Льюис, доцента астрономии, написал компьютерный код, моделирующий спектральные данные First, чтобы смоделировать, как различные поверхности экзопланет могут показаться JWST.

Льюис говорит, что инструменты моделирования сначала использовались для других целей. «Инструменты кодирования Ишана изначально использовались для изучения ледяных лун в Солнечной системе», — сказала она. «Теперь мы наконец-то пытаемся перенести то, что узнали о Солнечной системе, на экзопланеты».

«Мы не ставили перед собой цель оценить конкретно планету LHS 3844b, — говорит Ферст, — а скорее рассмотреть правдоподобный диапазон базальтовых каменистых экзопланет, которые могут быть замечены JWST и другими обсерваториями в ближайшие годы».

Что касается экзопланет, то, по словам исследователей, изучение каменистых поверхностей в научной литературе в основном ограничивалось отдельными точками данных — обнаружением признаков только одного типа химических веществ, но по мере использования наблюдателями JWST эта ситуация меняется и становится многокомпонентной.

По словам геологов, пытаясь вычленить признаки, связанные с минералогией и основным химическим составом — например, сколько кремния, алюминия и магния содержится в породе — геологи могут рассказать немного больше об условиях, в которых сформировалась порода.

«На Земле, если базальтовые породы извергаются из срединно-океанических хребтов глубоко на дне океана, в отличие от тех, что извергаются на океанических островах, таких как Гавайи, — говорит Ферст, — вы заметите некоторые различия в основном химическом составе. Но даже породы со схожим химическим составом могут содержать различные минералы, поэтому обе эти характеристики важны для изучения».

«Это наблюдение имеет важное значение для понимания геологических процессов на экзопланетах и их потенциальной обитаемости», — добавляет Газель. «Поскольку мы начинаем получать все больше данных о химическом составе экзопланет, важно уметь интерпретировать эти данные и устанавливать связь между минералогией, тектоникой и возможным наличием жидкой воды».

Исследователи подчеркивают, что наличие воды является основным критерием для поиска жизни, поэтому понимание, как вода может взаимодействовать с базальтовыми породами, позволит эффективнее определять потенциальные места обитания на экзопланетах. Возможно, результаты их исследований смогут помочь в поиске мест, где жизнь могла бы зародиться вне Земли.

Команда планирует продолжить работы над созданием надежной библиотеки спектров, которая сможет использоваться для анализа данных, полученных от JWST и других космических обсерваторий. «Наша цель — это не просто набор спектров, а создание инструмента, который поможет открыть новые горизонты в астрономии и геологии», — говорит Ферст.

С использованием спектроскопических данных и сочетания междисциплинарных подходов команды, состоящей из астрономов, геологов и специалистов по моделированию, ученые надеются создать комплексный взгляд на экзопланеты и их геологическое разнообразие.

«Мы стоим на пороге нового этапа в астрономии, где взаимодействие различных дисциплин позволит нам лучше понять не только структуру каменистых экзопланет, но и потенциальные условия, которые могут способствовать возникновению жизни», — заключает Газель.

Это исследование может стать надежной основой для будущих исследований, направленных на изучение условий на планетах за пределами нашей Солнечной системы, открывая двери для более глубокого понимания мира, который нас окружает.