Astronomer vid MIT, Harvard Universitet, och på andra håll har sökt en sten, Exoplanet i jordstorlek för tecken på en atmosfär – och hittade ingen.

Atmosfärer har tidigare upptäckts på planeter som är mycket större än vår egen, inklusive flera heta Jupiters och sub-Neptunes, som alla huvudsakligen är gjorda av is och gas. Men det här är första gången forskare har kunnat fastställa om en jordstor, terrestra planeten utanför vårt solsystem har en atmosfär.

Planeten i fråga, LHS 3844b, upptäcktes 2018 av NASA:s Transiting Exoplanet Survey Satellite, TESS, och mättes vara cirka 1,3 gånger större än jorden. Planeten snurrar runt sin stjärna på bara 11 timmar, vilket gör den till en av de snabbast kretsande exoplaneterna kända. Stjärnan i sig är en liten, cool M-dvärg som bor bara 49 ljusår från jorden.

I en tidning som publicerades idag i Natur , teamet rapporterar att LHS 3844b sannolikt inte har varken en tjock, Venus-liknande atmosfär eller en tunn, Jordliknande atmosfär. Istället, planeten är förmodligen mer lik Merkurius - en blåsbildning, kal sten. Om en atmosfär någonsin funnits, forskarna säger att stjärnans strålning sannolikt sprängde bort den tidigt i planetens bildande.

"Vi hittade i princip en het planet utan gaser runt den, säger medförfattaren Daniel Koll, en postdoc vid MIT:s Department of Earth, Atmosfärisk, och planetvetenskap. "Det här är första gången vi vet något i detalj om atmosfären på en planet runt dessa M-dvärgar, vilka är den vanligaste typen av stjärna, gör LHS 3844b till den vanligaste typen av stenig planet i galaxen."

Skulle någon form av liv kunna få fäste i en sådan karg ödemark? Koll och hans kollegor säger att det är extremt osannolikt, eftersom avsaknaden av en atmosfär omedelbart skulle koka bort alla organismer på planetens yta. Men det betyder inte att andra terrestra exoplaneter på liknande sätt är utan täckning.

"Vi trodde aldrig att just den här planeten skulle vara gästvänlig för liv, säger huvudförfattaren Laura Kreidberg, en forskare vid Harvard Center for Astrophysics. "Det är mer en fråga om huruvida hela denna kategori av planeter runt mindre stjärnor har atmosfärer eller inte. Och vår teknik är ett robust sätt att bedöma om en atmosfär finns eller inte."

Ansikten exponerade

Under 2018, LHS 3844b var bland den första skörden av extrasolära världar som bekräftades av TESS, en MIT-utvecklad satellit som övervakar tusentals av de närmaste, ljusaste stjärnor, för transiter – periodiska dopp i stjärnljus som kan signalera en planet som kretsar framför stjärnan, tillfälligt blockerar dess ljus.

Kreidberg och hennes team flaggade LHS 3844b som ett idealiskt laboratorium, eftersom dess stjärna är ljus och nära, och därför en källa mot vilken forskare kunde studera planeten i detalj. Eftersom LHS 3844b är extremt nära sin stjärna, och därmed otroligt varmt, Kreidberg och Koll resonerade att den borde avge tillräckligt med värme för att avslöja ledtrådar om huruvida den är värd för en atmosfär.

LHS 3844b är en tidvattenlåst planet, vilket betyder att den har en permanent dagsida och nattsida till sin stjärna, precis som månen alltid visar samma ansikte mot jorden. Om det finns en atmosfär, det skulle cirkulera värme runt hela planeten, och värmen som avges från både dag- och nattsidan skulle vara ungefär densamma. I avsaknad av en atmosfär, dagsidan skulle vara betydligt varmare än nattsidan.

När planeten kretsar runt sin stjärna, en observatör kan se olika ansikten på den planeten. När den kommer ut bakom sin stjärna, planetens dagsida är exponerad. Sedan, när den cirklar framför stjärnan, planeten svänger för att visa sin nattsida, innan han kommer tillbaka för att exponera sin dagsida innan han korsar bakom stjärnan igen.

Forskarna tänkte att om de kunde mäta värmen som avges av planetens olika ansikten under dess omloppsbana, de kunde bestämma temperaturskillnaden mellan dagsidan och nattsidan, och slutligen, om planeten har en atmosfär.

För att testa denna idé, laget använde NASA:s Spitzer Space Telescope, ett instrument som mäter infraröd strålning, eller värme, och riktade teleskopet mot LHS 3844b i 100 timmar, fångar cirka 10 banor av planeten totalt. De mätte värmen som avgavs av planetens olika ansikten under varje omloppsbana.

"Detta har gjorts mycket för planeter närmare Jupiter i storlek, men det här är allra första gången som denna mätning någonsin har gjorts för en jordisk planet runt en M dvärgstjärna, säger Koll.

"Någonstans där ute"

Från deras mått, forskarna beräknade att dagsidan är en toasty 1, 000 kelvin, eller ca 1, 340 grader Fahrenheit, medan nattsidan sjunker till så lågt som 0 K, eller -460 F. Den drastiska temperaturskillnaden indikerar att planeten inte har en tjock, Venusliknande atmosfär som skulle fördela värme jämnt runt hela planeten.

Teamet simulerade olika scenarier som involverade tunnare atmosfärer av olika sammansättning, men de fann att ingen producerade en värmefördelning som matchade deras observationer, indikerar att planeten inte heller har en tunn, Jordliknande atmosfär.

Det fanns ett scenario där en extremt tunn atmosfär, liknande Mars, kan producera planetens drastiska värmeskillnad. Dock, teamet fann att det var osannolikt att en så tunn atmosfär kunde förbli stabil, eftersom stjärnans strålning snabbt skulle spränga bort alla spårgaser som omger planeten.

Forskarna har kommit fram till att LHS 3844b i huvudsak är en superhet, kal sten. Men vilken typ av sten kan det vara? I ett sista steg, teamet försökte identifiera dess sammansättning genom att mäta reflektionsförmågan hos planetens yta. Som vi vet på jorden, olika mineraler reflekterar ljus i olika grader – basalt, som är svart, stelnad lava, reflekterar väldigt lite ljus, medan ljusare stenar som granit, som innehåller mineraler som kvarts, har en högre reflektionsförmåga. Teamet mätte förhållandet mellan stjärnans ljusstyrka och planetens för att beräkna planetens reflektionsförmåga.

"Vi kan se att en granitliknande yta utesluts av våra data, medan ett mörkt material som ett lavafält på Hawaii, eller månstoet, eller som Merkurius yta, överensstämmer med våra observationer, säger Kreidberg.

Medan gruppen kom fram till att det inte finns någon atmosfär – och, därför, liv – på LHS 3844b, de säger att detta kanske inte är fallet för liknande terrestra exoplaneter som kretsar kring coola M-dvärgar. De hoppas kunna tillämpa sin teknik på andra steniga exoplaneter, inklusive sådana som är längre bort från sina stjärnor och har större chans att behålla en atmosfär.

"Atmosfärer hjälper till att skydda liv och skydda det från ultraviolett strålning, " säger Kreidberg. "Jag skulle bli glad över att upptäcka en atmosfär på en planet, även om det är lite för varmt eller för kallt, för det skulle säga oss, ja, some terrestrial exoplanets can have atmospheres, and probably somewhere out there, there's going to be one that's the right temperature, that has been able to keep liquid water."