Wissenschaftler der Cornell University bauen eine Bibliothek von Basaltspektren auf, um die Zusammensetzung von Exoplaneten zu untersuchen und mögliche Hinweise auf Wasser zu entdecken. Mithilfe von JWST-Daten und Simulationen auf Basis des Exoplaneten LHS 3844b analysierten sie spektrale Signaturen, um verschiedene Gesteinsarten zu unterscheiden. Ihre Erkenntnisse könnten das Verständnis der Oberflächen und Bewohnbarkeit von Exoplaneten verbessern.
Forscher nutzen die Basaltspektroskopie, um Exoplaneten zu untersuchen, und das James Webb-Weltraumteleskop, um nach Wasser zu suchen. Durch die Untersuchung chemischer Prozesse im heißen Erdmantel bauen Wissenschaftler der Cornell University eine Bibliothek auf, die auf den spektralen Signaturen von Basalt basiert. Ziel dieser Forschung ist es, die Zusammensetzung von Exoplaneten zu bestimmen und Beweise für Wasser auf diesen Exoplaneten zu liefern.
Der Ingenieurprofessor Esteban Gazel sagte: „Wenn der Erdmantel schmilzt, entsteht Basalt. Basalt ist ein grauschwarzes Vulkangestein, das im gesamten Sonnensystem vorkommt und ein wichtiger Aufzeichner der geologischen Geschichte ist. Wenn der Mantel des Mars schmilzt, entsteht auch Basalt. Der Mond besteht größtenteils aus Basalt“, sagte er. „Wir testen basaltische Materialien auf der Erde, um letztendlich mithilfe von Daten des James Webb-Weltraumteleskops die Zusammensetzung von Exoplaneten aufzuklären.“
Gazel und Emily First, eine ehemalige Postdoktorandin an der Cornell University und jetzt Assistenzprofessorin am Macalester College in Minnesota, sind die Autoren einer kürzlich in Nature Astronomy veröffentlichten Studie.
Gazel sagte, zu verstehen, wie Mineralien die Prozesse aufzeichnen, die diese Gesteine gebildet haben, und was ihre spektralen Signaturen sind, sei der erste Schritt bei der Entwicklung einer Bibliothek davon: „Wir wissen, dass die meisten Exoplaneten Basalte produzieren, weil die Metallizität ihrer Wirtssterne zu Mantelmineralien (Eisen-Magnesium-Silikaten) führt, sodass beim Schmelzen das Phasengleichgewicht (das Gleichgewicht zwischen zwei Materiezuständen) vorhersagt, dass die resultierende Lava Basalt sein wird. Sie wird nicht nur in unserem Sonnensystem vorherrschen, sondern auch.“ in der gesamten Milchstraße.
Zunächst wurden 15 Basaltproben auf ihren Emissionsgrad gemessen, der sich auf das Ausmaß bezieht, in dem eine Oberfläche angetroffene Energie ausstrahlt, was bei der Suche nach spektralen Signaturen helfen kann, die das Mittelinfrarotspektrometer des Weltraumteleskops erkennen könnte.
Sobald Basaltschmelze auf einem Exoplaneten ausbricht und abkühlt, verhärtet sich der Basalt zu einem festen Gestein, das auf der Erde als Lava bekannt ist. Wenn Wasser vorhanden ist, interagiert das Gestein mit dem Wasser und bildet neue hydratisierte Mineralien, die in Infrarotspektren leicht zu erkennen sind. Diese veränderten Mineralien können zu Amphibole (ein hydratisiertes Silikat) oder Serpentin (ein weiteres hydratisiertes Silikat, das wie Schlangenhaut aussieht) werden.
Durch die Untersuchung winziger spektraler Unterschiede zwischen Basaltproben könnten Wissenschaftler theoretisch feststellen, ob Exoplaneten einst fließendes Oberflächen- oder Innenwasser hatten, sagte Gazelle.
Der Nachweis von Wasser wäre nicht sofort erkennbar und es wären weitere Arbeiten erforderlich, bevor diese Nachweismethode übernommen werden könnte. Das James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) ist etwa 1 Million Meilen von der Erde entfernt, und es dauert Dutzende bis Hunderte von Stunden, um auf ein System zu fokussieren, das ein Lichtjahr entfernt ist, und dann noch mehr Zeit, um die Daten zu analysieren.
Das Forschungsteam nutzte Daten des Supererde-Exoplaneten LHS 3844b bei der Suche nach einem felsigen Exoplaneten, um seine Hypothese zu simulieren und 15 verschiedene Eigenschaften zu berücksichtigen.
Ishan Mishra, der im Labor von Nikole Lewis, außerordentlicher Professor für Astronomie, arbeitet, hat Computercode geschrieben, um die Spektraldaten von First zu modellieren und zu simulieren, wie sich verschiedene Exoplanetenoberflächen im JWST verhalten würden.
Lewis sagte, die Modellierungswerkzeuge seien ursprünglich für andere Anwendungen gedacht. „Ishans Codierungstools wurden ursprünglich entwickelt, um eisige Monde im Sonnensystem zu untersuchen“, sagte sie. „Wir übertragen nun endlich das, was wir im Sonnensystem gelernt haben, auf Exoplaneten.“
„Unser Ziel war es nicht, LHS 3844b speziell zu bewerten“, sagte First, „sondern eine angemessene Auswahl basaltischer Exoplaneten zu berücksichtigen, die das JWST und andere Observatorien in den kommenden Jahren beobachten könnten.“
Wenn es um Exoplaneten geht, beschränkte sich die Erforschung von Gesteinsoberflächen größtenteils auf einzelne Datenpunkte – in der wissenschaftlichen Literatur wurden nur Hinweise auf chemische Typen gefunden –, aber das verlagert sich hin zu Mehrkomponentensystemen, da Beobachter JWST nutzen, sagten die Forscher.
Durch den Versuch, Merkmale im Zusammenhang mit der Mineralogie und der chemischen Zusammensetzung des Gesteins zu finden – zum Beispiel wie viel Silizium, Aluminium und Magnesium im Gestein enthalten sind – können Geologen mehr über die Bedingungen erfahren, unter denen sich das Gestein gebildet hat, sagten Geologen.
„Wenn auf der Erde Basalte tief in mittelozeanischen Rücken aus dem Meeresboden ausbrechen und diese Basalte auf ozeanischen Inseln wie Hawaii ausbrechen, werden Sie einige Unterschiede in der Massenchemie dieser Gesteine feststellen“, sagte First. „Aber selbst Gesteinsmassen mit ähnlicher chemischer Zusammensetzung können unterschiedliche Mineralien enthalten, daher sind dies wichtige Merkmale, die es zu untersuchen gilt.“
Zusammengestellt von /ScitechDaily