Förmodligen något av det konstigaste, mest extrema planeterna bland de fler än 4, 000 exoplaneter som hittills upptäckts är de heta superjordarna – steniga, flammande heta världar som svir så betänkligt nära sina värdstjärnor att en del av deras ytor sannolikt är smält hav av smält lava.

Dessa eldiga världar, ungefär lika stor som jorden, är mer kända som "lava-ocean planeter, "och forskare har observerat att en handfull av dessa heta superjordar är ovanligt ljusa, och faktiskt ljusare än vår egen lysande blå planet.

Exakt varför dessa fjärran eldklot är så ljusa är oklart, men nya experimentella bevis från forskare vid MIT visar att den oväntade glöden från dessa världar sannolikt inte beror på vare sig smält lava eller kylt glas (dvs snabbt stelnat lava) på deras ytor.

Forskarna kom till denna slutsats efter att ha förhört problemet på ett uppfriskande direkt sätt:smälta stenar i en ugn och mäta ljusstyrkan hos den resulterande lavan och det kylda glaset, som de sedan använde för att beräkna ljusstyrkan i områden på en planet täckt av smält eller stelnat material. Deras resultat avslöjade att lava och glas, åtminstone som en produkt av materialet de smälte i labbet, är inte tillräckligt reflekterande för att förklara den observerade ljusstyrkan hos vissa lava-oceanplaneter.

Deras resultat tyder på att heta superjordar kan ha andra överraskande egenskaper som bidrar till deras ljusstyrka, såsom metallrika atmosfärer och starkt reflekterande moln.

"Vi har fortfarande så mycket att förstå om dessa lava-oceanplaneter, " säger Zahra Essack, en doktorand vid MIT:s Department of Earth, Atmosfärisk, och planetvetenskap. "Vi tänkte på dem som bara glödande stenkulor, men dessa planeter kan ha komplexa system av yt- och atmosfäriska processer som är ganska exotiska, och inget vi någonsin sett förut."

Essack är den första författaren till en studie som beskriver teamets resultat, som visas idag i The Astrophysical Journal . Hennes medförfattare är tidigare MIT postdoc Mihkel Pajusalu, som var avgörande i experimentets första uppställning, och Sara Seager, klassen 1941 professor i planetvetenskap, med förordnanden vid institutionerna för fysik och flygteknik och astronautik.

Mer än kolbollar

Heta superjordar är mellan en och 10 gånger jordens massa, och har extremt korta omloppsperioder, cirkla sin värdstjärna på bara 10 dagar eller mindre. Forskare har förväntat sig att dessa lavavärldar skulle vara så nära sin värdstjärna att all märkbar atmosfär och moln skulle tas bort. Deras ytor som ett resultat skulle vara minst 850 kelvin, eller 1, 070 grader Fahrenheit – tillräckligt varmt för att täcka ytan i oceaner av smält sten.

Forskare har tidigare upptäckt en handfull superjordar med oväntat höga albedos, eller ljusstyrkor, där de reflekterade mellan 40 och 50 procent av ljuset från sin stjärna. I jämförelse, jordens albedo, med alla dess reflekterande ytor och moln, är bara runt 30 procent.

"Du skulle förvänta dig att dessa lavaplaneter skulle vara en sorts kolbollar som kretsar i rymden - väldigt mörka, inte särskilt ljus alls, " säger Essack. "Så vad gör dem så ljusa?"

En idé har varit att lavan i sig kan vara den huvudsakliga källan till planeternas ljusstyrka, även om det aldrig hade funnits några bevis, antingen i observationer eller experiment.

"Så att vara MIT-män, Vi bestämde, ok, vi borde göra lite lava och se om det är ljust eller inte, " säger Essack.

Att göra lava

För att först göra lava, teamet behövde en ugn som kunde nå tillräckligt höga temperaturer för att smälta basalt och fältspat, de två bergarterna som de valde för sina experiment, eftersom de är välkarakteriserat material som är vanligt på jorden.

Som det visar sig, de behövde till en början inte titta längre än till gjuteriet vid MIT, ett utrymme inom institutionen för materialvetenskap och teknik, där utbildade metallurger hjälper studenter och forskare att smälta material i gjuteriets ugn för forskning och klassprojekt.

Essack tog med prover av fältspat till gjuteriet, där metallurger bestämde vilken typ av degel de skulle placeras i, och de temperaturer vid vilka de behövde värmas upp.

"De tappar det i ugnen, låt stenarna smälta, ta ut det, och sedan förvandlas hela stället till en ugn själv - det är väldigt varmt, " säger Essack. "Och det var en otrolig upplevelse att stå bredvid denna ljusa glödande lava, känner den där värmen."

Dock, experimentet stötte snabbt på ett hinder:lavan, när det väl drogs ur ugnen, kyls nästan omedelbart till en slät, glasartat material. Processen skedde så snabbt att Essack inte kunde mäta lavans reflektionsförmåga medan den fortfarande var smält.

Så hon tog med det kylda fältspatglaset till ett spektroskopilaboratorium som hon designade och implementerade på campus för att mäta dess reflektans, genom att lysa ett ljus på glaset från olika vinklar och mäta mängden ljus som reflekteras tillbaka från ytan. Hon upprepade dessa experiment för kylt basaltglas, varav prover donerades av kollegor vid Syracuse University som driver Lava Project. Seager besökte dem för några år sedan för en preliminär version av experimentet, och samlade på den tiden basaltprover som nu används för Essacks experiment.

"De smälte ett stort gäng basalt och hällde det nerför en sluttning, och de chippade upp det åt oss, säger Seager.

Efter att ha mätt ljusstyrkan hos kylt basalt- och fältspatglas, Essack tittade igenom litteraturen för att hitta reflektionsmätningar av smälta silikater, som är en viktig del av lava på jorden. Hon använde dessa mätningar som en referens för att beräkna hur ljus den ursprungliga lavan från basalt- och fältspatglaset skulle vara. Hon uppskattade sedan ljusstyrkan hos en het superjord täckt antingen helt av lava eller kylt glas, eller kombinationer av de två materialen.

I slutet, hon fann det, oavsett kombinationen av ytmaterial, albedon för en lava-ocean planet skulle inte vara mer än cirka 10 procent – ​​ganska mörkt jämfört med de 40 till 50 procent albedo som observerats för vissa heta superjordar.

"Det här är ganska mörkt jämfört med jorden, och inte tillräckligt för att förklara ljusstyrkan på planeterna vi var intresserade av, " säger Essack.

Denna insikt har minskat sökintervallet för att tolka observationer, och styr framtida studier för att överväga andra exotiska möjligheter, såsom närvaron av atmosfärer rika på reflekterande metaller.

"Vi är inte 100 procent säkra på vad dessa planeter är gjorda av, så vi begränsar parameterutrymmet och vägleder framtida studier mot alla dessa andra potentiella alternativ, " säger Essack.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.