Mit dem Mid-Infrared-Instrument (MIRI) des James-Webb-Weltraumteleskops (JWST) hat ein internationales Team unter der Leitung des ehemaligen MPIA-Doktoranden Sebastian Zieba (jetzt Harvard & Smithsonian) und der MPIA-Direktorin Laura Kreidberg die Oberflächenzusammensetzung des felsigen Exoplaneten LHS 3844 b untersucht. Diese Arbeit geht über die üblichen atmosphärischen Studien hinaus und befasst sich mit der Geologie von Planeten, die andere Sterne umkreisen – denn warum sollte unser Sonnensystem den ganzen Spaß haben? Die Ergebnisse erscheinen in Nature Astronomy.

LHS 3844 b ist eine felsige Welt, die etwa 30 % größer als die Erde ist und in weniger als 11 Stunden um einen kühlen Roten Zwergstern rast. Sie umkreist ihren Stern extrem nah – nur etwa drei Sterndurchmesser über der Oberfläche – und ist gebunden, was bedeutet, dass eine Seite dauerhaft dem Stern zugewandt ist, während die andere in ewiger Dunkelheit brütet. Die Tagseite hat durchschnittlich etwa 1000 Kelvin (etwa 725 °C oder 1340 °F). Das System ist relativ nahe, 48,5 Lichtjahre (14,9 Parsec) entfernt.

„Dank der erstaunlichen Empfindlichkeit von JWST können wir Licht erkennen, das direkt von der Oberfläche dieses fernen Gesteinsplaneten kommt“, sagte Kreidberg. „Wir sehen einen dunklen, heißen, kahlen Felsen, ohne jede Atmosphäre.“ Also nicht gerade ein Urlaubsziel.

Sein dunkles Aussehen deutet darauf hin, dass er einem überdimensionalen Mond oder Merkur ähneln könnte. Diese Schlussfolgerung ergibt sich aus der Analyse der Infrarotstrahlung, die von der heißen Tagseite des Planeten emittiert wird. Wissenschaftler können den Planeten nicht direkt abbilden; stattdessen messen sie subtile Helligkeitsänderungen des kombinierten Lichts von Stern und Planet während seines Umlaufs.

MIRI untersuchte die Infrarotemission zwischen 5 und 12 Mikrometern und spaltete das Licht in kleinere Wellenlängenintervalle auf, um ein Spektrum zu erzeugen – im Wesentlichen einen Regenbogen, der zeigt, wie das Licht verteilt ist. Frühere Daten des Spitzer-Weltraumteleskops untermauerten die Analyse.

Das Team verglich seine Beobachtungen mit Computermodellen und Bibliotheken bekannter Gesteine von Erde, Mond und Mars. Diese Vergleiche zeigten, dass LHS 3844 b eine Kruste wie die der Erde fehlt – die typischerweise reich an Silikatmineralien wie Granit ist. Das ist nicht überraschend, da die Erde im Sonnensystem einzigartig ist, was eine solche Kruste betrifft. Auf der Erde entstehen silikatreiche Krusten durch langfristige tektonische Aktivität und Wasser, was wiederholtes Schmelzen und Recyceln von Gestein beinhaltet.

„Da LHS 3844 b eine solche Silikatkruste fehlt, kann man schließen, dass erdähnliche Plattentektonik auf diesem Planeten nicht zutrifft oder unwirksam ist“, sagte Zieba. „Dieser Planet enthält wahrscheinlich nur wenig Wasser.“

Statt Granit deuten die Daten auf eine Oberfläche aus Basalt oder mantelähnlichem Gestein hin, ähnlich vulkanischem Material auf der Erde oder dem Mond. Die Forscher fanden heraus, dass große Gebiete aus festem Basalt oder magmatischem Gestein am besten zu den Daten passen. Diese Gesteine sind reich an Magnesium und Eisen und können Olivin enthalten. Zerbrochene Gesteinsfragmente wie Kies passen ebenfalls recht gut, während feine Pulver oder Staub allein nicht passen – sie wären zu hell.

Ohne eine schützende Atmosphäre ist der Planet ständig intensiver Strahlung und Meteoriteneinschlägen ausgesetzt. Diese Prozesse zersetzen Gestein und verändern seine Oberfläche.

„Es stellt sich heraus, dass diese Prozesse nicht nur harte Gesteine langsam in Regolith auflösen, eine Schicht aus feinen Körnern oder Pulver, wie sie auf dem Mond zu finden ist“, erklärte Zieba. „Sie verdunkeln die Schicht auch durch die Zugabe von Eisen und Kohlenstoff, wodurch die Eigenschaften des Regoliths besser mit den Beobachtungen übereinstimmen.“

Die Daten unterstützen zwei mögliche Szenarien. Erstens: eine Landschaft, die von festem basaltischem Gestein dominiert wird, das relativ frisch ist, was auf jüngste geologische Aktivität wie weit verbreiteten Vulkanismus hindeutet. Zweitens: eine dunkle Oberfläche, die durch langfristige Weltraumverwitterung geformt wurde, mit ausgedehnten Schichten aus verdunkeltem Regolith ähnlich dem Mond oder Merkur – was impliziert, dass der Planet seit langer Zeit geologisch inaktiv ist.

Diese Möglichkeiten unterscheiden sich hauptsächlich darin, ob der Planet noch aktiv ist. Auf der Erde setzen vulkanische Prozesse Gase wie Schwefeldioxid (SO2) frei. Wenn LHS 3844 b derzeit aktiv wäre, hätte MIRI dieses Gas wahrscheinlich nachgewiesen. Ein solches Signal wurde nicht gefunden.