Misschien wel een van de raarste, meest extreme planeten onder de meer dan 4, 000 exoplaneten die tot nu toe zijn ontdekt, zijn de hete superaardes - rotsachtige, gloeiend hete werelden die zo gevaarlijk dicht bij hun gaststerren suizen dat sommige van hun oppervlakken waarschijnlijk gesmolten zeeën van gesmolten lava zijn.

Deze vurige werelden, ongeveer zo groot als de aarde, zijn meer suggestief bekend als "lava-oceaanplaneten, " en wetenschappers hebben waargenomen dat een handvol van deze hete superaardes ongewoon helder zijn, en in feite helderder dan onze eigen schitterende blauwe planeet.

Precies waarom deze verre vuurballen zo helder zijn, is onduidelijk, maar nieuw experimenteel bewijs door wetenschappers van het MIT toont aan dat de onverwachte gloed van deze werelden waarschijnlijk niet te wijten is aan gesmolten lava of gekoeld glas (d.w.z. snel gestolde lava) op hun oppervlak.

De onderzoekers kwamen tot deze conclusie na het probleem op een verfrissend directe manier te ondervragen:het smelten van rotsen in een oven en het meten van de helderheid van de resulterende lava en gekoeld glas, die ze vervolgens gebruikten om de helderheid te berekenen van gebieden van een planeet die bedekt waren met gesmolten of gestold materiaal. Hun resultaten onthulden dat lava en glas, tenminste als een product van de materialen die ze in het lab smolten, zijn niet reflecterend genoeg om de waargenomen helderheid van bepaalde lava-oceaanplaneten te verklaren.

Hun bevindingen suggereren dat hete superaardes andere verrassende kenmerken kunnen hebben die bijdragen aan hun helderheid, zoals metaalrijke atmosferen en sterk reflecterende wolken.

"We moeten nog zoveel begrijpen over deze lava-oceaanplaneten, " zegt Zahra Essack, een afgestudeerde student aan het MIT's Department of Earth, Sfeervol, en Planetaire Wetenschappen. "We zagen ze als gloeiende rotsballen, maar deze planeten kunnen complexe systemen van oppervlakte- en atmosferische processen hebben die nogal exotisch zijn, en niet iets dat we ooit eerder hebben gezien."

Essack is de eerste auteur van een studie waarin de resultaten van het team worden beschreven. die vandaag verschijnt in Het astrofysische tijdschrift . Haar co-auteurs zijn voormalig MIT-postdoc Mihkel Pajusalu, die een belangrijke rol speelde bij de initiële opzet van het experiment, en Sara Seager, de klasse van 1941 hoogleraar planetaire wetenschap, met aanstellingen in de afdelingen Natuurkunde en Luchtvaart en Ruimtevaart.

Meer dan houtskoolballen

Hete superaarde is tussen één en tien keer de massa van de aarde, en hebben extreem korte omlooptijden, cirkelen rond hun gastster in slechts 10 dagen of minder. Wetenschappers hadden verwacht dat deze lavawerelden zo dicht bij hun gastster zouden zijn dat elke noemenswaardige atmosfeer en wolken zouden worden weggenomen. Hun oppervlak zou daardoor minstens 850 kelvin zijn, of 1, 070 graden Fahrenheit - heet genoeg om het oppervlak in oceanen van gesmolten gesteente te bedekken.

Wetenschappers hebben eerder een handvol superaardes ontdekt met onverwacht hoge albedo's, of helderheid, waarin ze tussen de 40 en 50 procent van het licht van hun ster weerkaatsten. In vergelijking, het albedo van de aarde, met al zijn reflecterende oppervlakken en wolken, is slechts ongeveer 30 procent.

"Je zou verwachten dat deze lavaplaneten een soort houtskoolballen zijn die in een baan om de ruimte cirkelen - erg donker, helemaal niet zo helder, ' zegt Essack. 'Dus waarom zijn ze zo slim?'

Een idee was dat de lava zelf de belangrijkste bron van helderheid van de planeten zou kunnen zijn, hoewel er nooit enig bewijs was, hetzij in observaties of experimenten.

"Dus als MIT-mensen, we besloten, Oke, we moeten wat lava maken en kijken of het helder is of niet, ' zegt Essack.

Lava maken

Om eerst lava te maken, het team had een oven nodig die temperaturen kon bereiken die hoog genoeg waren om basalt en veldspaat te smelten, de twee steensoorten die ze kozen voor hun experimenten, omdat ze goed gekarakteriseerd materiaal zijn dat veel voorkomt op aarde.

Zoals het blijkt, ze hoefden in eerste instantie niet verder te kijken dan de gieterij aan het MIT, een ruimte binnen de afdeling Materials Science and Engineering, waar opgeleide metallurgen studenten en onderzoekers helpen materialen te smelten in de oven van de gieterij voor onderzoeks- en klasprojecten.

Essack bracht monsters van veldspaat naar de gieterij, waar metallurgen het type smeltkroes bepaalden waarin ze moesten worden geplaatst, en de temperaturen waarop ze moesten worden verwarmd.

"Ze laten het in de oven vallen, laat de rotsen smelten, eruithalen, en dan verandert de hele plaats zelf in een oven - het is erg heet, "zegt Essack. "En het was een ongelooflijke ervaring om naast deze helder gloeiende lava te staan, die warmte voelen."

Echter, het experiment liep al snel tegen een obstakel aan:de lava, toen het eenmaal uit de oven was gehaald, vrijwel onmiddellijk afgekoeld tot een gladde, glasachtig materiaal. Het proces vond zo snel plaats dat Essack de reflectiviteit van de lava niet kon meten terwijl deze nog gesmolten was.

Dus nam ze het gekoelde veldspaatglas mee naar een spectroscopielab dat ze op de campus had ontworpen en geïmplementeerd om de reflectie ervan te meten. door vanuit verschillende hoeken licht op het glas te laten schijnen en de hoeveelheid licht te meten die van het oppervlak terugkaatst. Ze herhaalde deze experimenten voor gekoeld basaltglas, waarvan monsters werden geschonken door collega's van de Universiteit van Syracuse die het Lava-project leiden. Seager bezocht ze een paar jaar geleden voor een voorlopige versie van het experiment, en in die tijd verzamelde basaltmonsters die nu worden gebruikt voor Essacks experimenten.

"Ze smolten een enorme bos basalt en goten het van een helling af, en ze hebben het voor ons gechipt, "zegt Seager.

Na het meten van de helderheid van gekoeld basalt- en veldspaatglas, Essack zocht in de literatuur naar reflectiviteitsmetingen van gesmolten silicaten, die een belangrijk onderdeel vormen van lava op aarde. Ze gebruikte deze metingen als referentie om te berekenen hoe helder de aanvankelijke lava van het basalt- en veldspaatglas zou zijn. Vervolgens schatte ze de helderheid van een hete superaarde die ofwel geheel met lava of gekoeld glas was bedekt, of combinaties van de twee materialen.

Uiteindelijk, dat vond ze, ongeacht de combinatie van oppervlaktematerialen, het albedo van een lava-oceaanplaneet zou niet meer dan ongeveer 10 procent zijn - behoorlijk donker vergeleken met de 40 tot 50 procent albedo die is waargenomen voor sommige hete superaardes.

"Dit is vrij donker vergeleken met de aarde, en niet genoeg om de helderheid van de planeten waarin we geïnteresseerd waren te verklaren, ' zegt Essack.

Dit besef heeft het zoekbereik voor het interpreteren van waarnemingen verkleind, en leidt toekomstige studies om andere exotische mogelijkheden te overwegen, zoals de aanwezigheid van atmosferen die rijk zijn aan reflecterende metalen.

"We weten niet 100 procent zeker waar deze planeten van gemaakt zijn, dus we verkleinen de parameterruimte en begeleiden toekomstige studies naar al deze andere mogelijke opties, ' zegt Essack.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.