Sans doute parmi les plus étranges, planètes les plus extrêmes parmi les plus de 4, 000 exoplanètes découvertes à ce jour sont les super-Terres chaudes - rocheuses, des mondes brûlants qui se rapprochent si précairement de leurs étoiles hôtes que certaines de leurs surfaces sont probablement des mers de lave en fusion.

Ces mondes de feu, environ la taille de la Terre, sont connues de manière plus évocatrice sous le nom de "planètes océaniques de lave, " et les scientifiques ont observé qu'une poignée de ces super-Terres chaudes sont exceptionnellement lumineuses, et en fait plus lumineux que notre propre planète bleue brillante.

On ne sait pas exactement pourquoi ces boules de feu lointaines sont si brillantes, mais de nouvelles preuves expérimentales par des scientifiques du MIT montrent que la lueur inattendue de ces mondes n'est probablement pas due à la lave en fusion ou au verre refroidi (c'est-à-dire à la lave rapidement solidifiée) sur leurs surfaces.

Les chercheurs sont arrivés à cette conclusion après avoir interrogé le problème d'une manière rafraîchissante et directe :faire fondre des roches dans un four et mesurer la luminosité de la lave résultante et du verre refroidi, qu'ils ont ensuite utilisé pour calculer la luminosité des régions d'une planète recouverte de matériau fondu ou solidifié. Leurs résultats ont révélé que la lave et le verre, au moins en tant que produit des matériaux qu'ils ont fondus en laboratoire, ne sont pas assez réfléchissants pour expliquer la luminosité observée de certaines planètes de l'océan de lave.

Leurs découvertes suggèrent que les super-Terres chaudes peuvent avoir d'autres caractéristiques surprenantes qui contribuent à leur luminosité, telles que les atmosphères riches en métaux et les nuages ​​hautement réfléchissants.

"Nous avons encore tant à comprendre sur ces planètes d'océan de lave, " dit Zahra Essack, un étudiant diplômé du Département de la Terre du MIT, Atmosphérique, et sciences planétaires. "Nous les considérions comme de simples boules de roche incandescentes, mais ces planètes peuvent avoir des systèmes complexes de processus de surface et atmosphériques assez exotiques, et rien que nous ayons jamais vu auparavant."

Essack est le premier auteur d'une étude détaillant les résultats de l'équipe, qui apparaît aujourd'hui dans Le Journal d'Astrophysique . Ses co-auteurs sont l'ancien postdoctorant du MIT Mihkel Pajusalu, qui a joué un rôle dans la configuration initiale de l'expérience, et Sara Seager, la classe de 1941 professeur de sciences planétaires, avec des nominations dans les départements de Physique et Aéronautique et Astronautique.

Plus que des boules de charbon

Les super-Terres chaudes ont entre une et 10 fois la masse de la Terre, et ont des périodes orbitales extrêmement courtes, encerclant leur étoile hôte en seulement 10 jours ou moins. Les scientifiques s'attendaient à ce que ces mondes de lave soient si proches de leur étoile hôte que toute atmosphère et tout nuage appréciable seraient supprimés. Leurs surfaces seraient ainsi d'au moins 850 kelvins, ou 1, 070 degrés Fahrenheit—assez chaud pour couvrir la surface des océans de roche en fusion.

Les scientifiques ont déjà découvert une poignée de super-Terres avec des albédos étonnamment élevés, ou des luminosités, dans lequel ils ont réfléchi entre 40 et 50 pour cent de la lumière de leur étoile. En comparaison, l'albédo de la Terre, avec toutes ses surfaces réfléchissantes et ses nuages, n'est que d'environ 30 pour cent.

"Vous vous attendriez à ce que ces planètes de lave soient des sortes de boules de charbon en orbite dans l'espace - très sombres, pas très brillant du tout, " dit Essack. "Alors, qu'est-ce qui les rend si brillants ?"

Une idée a été que la lave elle-même pourrait être la principale source de luminosité des planètes, bien qu'il n'y ait jamais eu de preuve, que ce soit dans des observations ou des expériences.

"Donc, étant des gens du MIT, nous avons décidé, d'accord, on devrait faire de la lave et voir si c'est brillant ou pas, " dit Essack.

Faire de la lave

Pour d'abord faire de la lave, l'équipe avait besoin d'un four pouvant atteindre des températures suffisamment élevées pour faire fondre le basalte et le feldspath, les deux types de roches qu'ils ont choisis pour leurs expériences, car ce sont des matériaux bien caractérisés qui sont communs sur Terre.

Comme il s'avère, au départ, ils n'ont pas eu à chercher plus loin que la fonderie du MIT, un espace au sein du Département de Science et Génie des Matériaux, où des métallurgistes qualifiés aident les étudiants et les chercheurs à fondre des matériaux dans le four de la fonderie pour des projets de recherche et de classe.

Essack a apporté des échantillons de feldspath à la fonderie, où les métallurgistes déterminaient le type de creuset dans lequel les placer, et les températures auxquelles ils devaient être chauffés.

"Ils le jettent dans la fournaise, laisse fondre les rochers, Sors-le, et puis tout l'endroit se transforme en une fournaise elle-même - il fait très chaud, " Dit Essack. " Et c'était une expérience incroyable de se tenir à côté de cette lave éclatante, sentir cette chaleur."

Cependant, l'expérience s'est rapidement heurtée à un obstacle :la lave, une fois sorti du four, presque instantanément refroidi dans un lisse, matière vitreuse. Le processus s'est déroulé si rapidement qu'Essack n'a pas été en mesure de mesurer la réflectivité de la lave alors qu'elle était encore en fusion.

Elle a donc emmené le verre de feldspath refroidi dans un laboratoire de spectroscopie qu'elle a conçu et mis en œuvre sur le campus pour mesurer sa réflectance, en éclairant le verre sous différents angles et en mesurant la quantité de lumière réfléchie par la surface. Elle a répété ces expériences pour le verre de basalte refroidi, dont des échantillons ont été donnés par des collègues de l'Université de Syracuse qui dirigent le projet Lava. Seager leur a rendu visite il y a quelques années pour une version préliminaire de l'expérience, et à cette époque collecté des échantillons de basalte maintenant utilisés pour les expériences d'Essack.

"Ils ont fait fondre un énorme tas de basalte et l'ont versé le long d'une pente, et ils nous l'ont ébréché, " dit Seager.

Après avoir mesuré la luminosité du verre de basalte et de feldspath refroidi, Essack a parcouru la littérature pour trouver des mesures de réflectivité des silicates fondus, qui sont une composante majeure de la lave sur Terre. Elle a utilisé ces mesures comme référence pour calculer la luminosité de la lave initiale du verre de basalte et de feldspath. Elle a ensuite estimé la luminosité d'une super-Terre chaude entièrement recouverte de lave ou de verre refroidi, ou des combinaisons des deux matériaux.

À la fin, elle a trouvé ça, quelle que soit la combinaison des matériaux de surface, l'albédo d'une planète d'océan de lave ne dépasserait pas 10 % environ, ce qui est assez sombre par rapport aux 40 à 50 % d'albédo observés pour certaines super-Terres chaudes.

"C'est assez sombre par rapport à la Terre, et pas assez pour expliquer la luminosité des planètes qui nous intéressaient, " dit Essack.

Cette prise de conscience a réduit la plage de recherche pour l'interprétation des observations, et dirige les études futures pour envisager d'autres possibilités exotiques, comme la présence d'atmosphères riches en métaux réfléchissants.

"Nous ne sommes pas sûrs à 100% de la composition de ces planètes, nous réduisons donc l'espace des paramètres et orientons les futures études vers toutes ces autres options potentielles, " dit Essack.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.