Astrofysici onthullen de mysterieuze geheimen van buitenaardse lavawerelden

Onderzoek laat zien hoe magma-oceanen de evolutie van hete exoplaneten kunnen beïnvloeden

Lavawerelden, enorme exoplaneten met een glinsterende hemel en woedende vulkanische zeeën die magma-oceanen worden genoemd, verschillen duidelijk van de planeten in ons zonnestelsel.

Tot op heden is gebleken dat ongeveer 50% van alle tot nu toe ontdekte rotsachtige exoplaneten magma op hun oppervlak kunnen vasthouden, waarschijnlijk omdat deze planeten zo dicht bij hun gaststerren staan ​​dat ze in minder dan tien dagen om de aarde draaien. Door de nabijheid wordt de planeet gebombardeerd met extreem weer en worden de oppervlaktetemperaturen tot extremen gedwongen, waardoor deze volkomen onherbergzaam wordt voor het leven zoals we dat nu kennen.

Impact van gesmolten oceanen

Nu hebben wetenschappers in een nieuwe studie aangetoond dat deze uitgestrekte gesmolten oceanen een grote invloed hebben op de waargenomen eigenschappen van hete, rotsachtige superaardes, zoals hun omvang en evolutionaire pad.

Hun onderzoek, onlangs gepubliceerd in de Astrofysisch tijdschriftHij ontdekte dat magma-oceanen, vanwege de zeer samendrukbare aard van lava, lava-rijke planeten zonder atmosfeer een bescheiden dichtheid kunnen geven dan vaste planeten van vergelijkbare grootte, en dat ze ook de structuur van hun mantels, de dikke binnenlaag die een planeet omringt, kunnen aantasten. de kern van de planeet..

Omdat deze objecten echter nog niet voldoende zijn bestudeerd, kan het lastig zijn om de fundamentele werking van lavaplaneten te beschrijven, zegt Kirsten Polley. Zij is de hoofdauteur van het onderzoek en een afgestudeerde astronomiestudent aan de Ohio State University.

Detectie en begrip

“Lavawerelden zijn heel vreemd, en het zijn heel interessante dingen, en vanwege de manier waarop we exoplaneten ontdekken, zijn we meer geneigd ze te vinden”, zegt Pauley, wiens onderzoek draait om het begrijpen van de basiscomponenten die exoplaneten uniek maken. hoe u deze elementen kunt wijzigen. In het geval van lavawerelden kunnen de temperaturen deze volledig veranderen.

Een van de beroemdste van deze mysterieuze brandende werelden is 55 Cancri e, an Exoplaneet Op ongeveer 41 lichtjaar afstand beschrijven wetenschappers het als de thuisbasis van sprankelende luchten en razende lavazeeën.

Hoewel er lichamen in ons zonnestelsel zijn zoals JupiterMaan Io, die zo vulkanisch actief is, dat er geen echte lavaplaneten in ons deel van het universum zijn die wetenschappers van dichtbij en persoonlijk kunnen bestuderen. Onderzoeken hoe de vorming van magma-oceanen bijdraagt ​​aan de evolutie van andere planeten, zoals hoe lang ze gesmolten blijven en waardoor ze uiteindelijk afkoelen, zou echter aanwijzingen kunnen opleveren over de vurige geschiedenis van de aarde, zei Pauley.

“Wanneer planeten zich in eerste instantie vormen, vooral rotsachtige aardse planeten, gaan ze door een magma-oceaanfase terwijl ze afkoelen,” zei Polley. “Dus lavawerelden kunnen ons een idee geven van wat er kan zijn gebeurd in de evolutie van vrijwel elke aardse planeet.”

Bestudeer technieken en resultaten

Met behulp van software voor het modelleren van het interieur van exoplaneten xoplex Gegevens verzameld uit eerdere studies Om een ​​eenheid te bouwen die informatie bevat over verschillende soorten magmasamenstellingen, simuleerden de onderzoekers verschillende evolutionaire scenario’s voor een aarde-achtige planeet met oppervlaktetemperaturen variërend tussen 2.600 en 3.860 graden. F – Het smeltpunt waarop de vaste atmosfeer van de planeet in een vloeistof verandert.

Uit de modellen die ze hebben gemaakt, heeft het team kunnen opmaken dat de mantels van magma-oceaanplaneten drie vormen kunnen aannemen: één waarbij de hele mantel volledig is gesmolten, een tweede waarbij de magma-oceaan aan de oppervlakte ligt, en een derde sandwich. -vormig model bestaande uit een oceaan van magma aan de oppervlakte, een vaste rotslaag in het midden en een andere laag gesmolten magma die zich het dichtst bij de kern van de planeet bevindt.

De resultaten geven aan dat vormen II en III iets vaker voorkomen dan volledig gesmolten planeten. Afhankelijk van de samenstelling van hun magma-oceanen zijn sommige atmosfeervrije exoplaneten beter dan andere in het vasthouden van vluchtige elementen – verbindingen zoals zuurstof en koolstof die nodig zijn om de vroege atmosfeer te vormen – gedurende miljarden jaren.

De studie suggereert bijvoorbeeld dat een planeet van de basale magmaklasse die vier keer de massa van de aarde heeft, meer dan 130 keer de massa water zou kunnen vasthouden dan de huidige oceanen van de aarde, en ongeveer 1000 keer de hoeveelheid koolstof die zich momenteel op het oppervlak van de planeet bevindt. En de korst.

“Als we het hebben over de evolutie van een planeet en de mogelijkheid dat deze verschillende elementen bevat die we mogelijk nodig hebben om het leven te ondersteunen, zou het vermogen om veel vluchtige elementen in de atmosfeer op te vangen grotere gevolgen kunnen hebben voor de bewoonbaarheid,” zei Polley.

Implicaties voor bewoonbaarheid en toekomstig onderzoek

Lavaplaneten zijn nog lang niet bewoonbaar genoeg om leven te ondersteunen, maar het is belangrijk om de processen te begrijpen die deze werelden helpen dit te bereiken. Uit deze studie blijkt echter dat het meten van hun dichtheid niet de beste manier is om deze werelden te beschrijven in vergelijking met vaste exoplaneten, omdat een magma-oceaan de dichtheid van zijn planeet niet significant verhoogt of verlaagt, zei Pauley.

In plaats daarvan laat hun onderzoek zien dat wetenschappers zich moeten concentreren op andere aardse factoren, zoals schommelingen in de zwaartekracht aan het oppervlak van de planeet, om hun theorieën over hoe hete lavawerelden werken te testen, vooral als toekomstige onderzoekers van plan zijn hun gegevens te gebruiken om te helpen bij grotere planetaire studies.

“Dit werk, dat een combinatie is van aardwetenschappen en astronomie, opent fundamenteel nieuwe en opwindende vragen over lavawerelden,” zei Polley.

Referentie: “Gasachtige superaardes: effecten van magmasamenstelling op de bulkdichtheid en structuur van lavawerelden” door Kirsten M. Polly en Wendy R. Panero en Cayman T. Unterburn en Joseph J. Schulz, Romy Rodriguez Martinez en Jie Wang, 7 september 2023, Astrofysisch tijdschrift.
doi: 10.3847/1538-4357/acea85

Het onderzoek werd ondersteund door de National Science Foundation. Andere co-auteurs zijn Wendy Panero, Joseph Schulz, Romy Martinez en Jie Wang, allemaal uit de staat Ohio, evenals Caiman Unterborn van het Southwest Research Institute.