Met behulp van het Mid Infrared Instrument (MIRI) aan boord van de James Webb Ruimtetelescoop (JWST) heeft een internationaal team onder leiding van voormalig MPIA-promovendus Sebastian Zieba (nu bij Harvard & Smithsonian) en MPIA-directeur Laura Kreidberg de oppervlaktesamenstelling van de rotsachtige exoplaneet LHS 3844 b onderzocht. Dit werk gaat verder dan de gebruikelijke atmosferische studies en duikt in de geologie van planeten die om andere sterren draaien – want waarom zou ons zonnestelsel al het plezier hebben? De bevindingen verschijnen in Nature Astronomy.

LHS 3844 b is een rotsachtige wereld die ongeveer 30% groter is dan de aarde en in minder dan 11 uur om een koele rode dwergster raast. Hij draait extreem dicht om zijn ster – slechts ongeveer drie ster-diameters boven het oppervlak – en is getijdegebonden, wat betekent dat één kant permanent naar de ster is gericht terwijl de andere kant in eeuwige duisternis broedt. De dagzijde gemiddeld ongeveer 1000 Kelvin (ruwweg 725°C of 1340°F). Het systeem is relatief dichtbij, op 48,5 lichtjaar (14,9 parsec) afstand.

"Dankzij de geweldige gevoeligheid van JWST kunnen we licht detecteren dat rechtstreeks van het oppervlak van deze verre rotsachtige planeet komt," zei Kreidberg. "We zien een donkere, hete, kale rots, verstoken van enige atmosfeer." Dus niet bepaald een vakantiebestemming.

Het donkere uiterlijk suggereert dat het lijkt op een overmaatse Maan of Mercurius. Deze conclusie komt voort uit het analyseren van infraroodstraling die wordt uitgezonden door de hete dagzijde van de planeet. Wetenschappers kunnen de planeet niet direct afbeelden; in plaats daarvan meten ze subtiele helderheidsveranderingen in het gecombineerde licht van ster en planeet terwijl deze om de ster draait.

MIRI onderzocht infraroodemissie tussen 5 en 12 micrometer, waarbij het licht in kleinere golflengte-intervallen werd gesplitst om een spectrum te creëren – in wezen een regenboog die onthult hoe het licht is verdeeld. Eerdere gegevens van de Spitzer Ruimtetelescoop versterkten de analyse.

Het team vergeleek hun waarnemingen met computermodellen en bibliotheken van bekende gesteenten van de aarde, de maan en Mars. Deze vergelijkingen toonden aan dat LHS 3844 b geen korst heeft zoals de aarde – die typisch rijk is aan silicaatmineralen zoals graniet. Dit is niet verrassend, aangezien de aarde uniek is in het zonnestelsel voor het hebben van zo'n korst. Op aarde worden silicaatrijke korsten gevormd door langdurige tektonische activiteit en water, waarbij gesteente herhaaldelijk smelt en recycleert.

"Aangezien LHS 3844 b zo'n silicaatkorst mist, kan men concluderen dat aardachtige platentektoniek niet van toepassing is op deze planeet, of dat het ineffectief is," zei Zieba. "Deze planeet bevat waarschijnlijk slechts weinig water."

In plaats van graniet wijzen de gegevens op een oppervlak van basalt of mantelachtig gesteente, vergelijkbaar met vulkanisch materiaal op aarde of de maan. De onderzoekers ontdekten dat grote gebieden van massief basalt of magmatisch gesteente het beste overeenkomen met de gegevens. Deze gesteenten zijn rijk aan magnesium en ijzer en kunnen olivijn bevatten. Gebroken rotsfragmenten zoals grind passen ook redelijk goed, terwijl fijne poeders of stof alleen niet overeenkomen – ze zouden te helder zijn.

Zonder een atmosfeer om het te beschermen, wordt de planeet voortdurend blootgesteld aan intense straling en meteorietinslagen. Deze processen breken gesteente af en veranderen het oppervlak.

"Het blijkt dat deze processen niet alleen harde gesteenten langzaam oplossen in regoliet, een laag fijne korrels of poeder zoals gevonden op de maan," legde Zieba uit. "Ze verduisteren ook de laag door ijzer en koolstof toe te voegen, waardoor de eigenschappen van de regoliet beter overeenkomen met de waarnemingen."

De gegevens ondersteunen twee mogelijke scenario's. Ten eerste: een landschap gedomineerd door massief basaltgesteente dat relatief vers is, wat wijst op recente geologische activiteit zoals wijdverbreid vulkanisme. Ten tweede: een donker oppervlak gevormd door langdurige ruimteverwering, met uitgebreide lagen van verduisterde regoliet vergelijkbaar met de maan of Mercurius – wat impliceert dat de planeet al lange tijd geologisch inactief is.

Deze mogelijkheden verschillen voornamelijk in de vraag of de planeet nog actief is. Op aarde komen bij vulkanische processen gassen zoals zwaveldioxide (SO2) vrij. Als LHS 3844 b momenteel actief was, zou MIRI dit gas waarschijnlijk hebben gedetecteerd. Er werd geen dergelijk signaal gevonden.