科学家们已经开始创建一个基于玄武岩的光谱特征数据库，以探讨在地球热地幔中发现的化学过程。这个计划旨在揭示我们太阳系之外行星的成分，并可能提供关于这些系外行星上水的指示。
科学家们开始通过研究地球热地幔中的化学过程，开发一个基于玄武岩的光谱特征集合。这个项目不仅将帮助识别系外行星的成分，还可能提供关于这些太阳系外行星上水的存在的线索。
工程学教授埃斯特班·加泽尔解释道：“当地球的地幔熔化时，会形成玄武岩。”他指出，玄武岩是一种在整个太阳系中发现的深灰色火山岩，是地质历史的重要指示物。
“火星的地幔熔化也产生了玄武岩，而月球主要由玄武岩组成，”他补充道。“我们的目标是分析地球上的玄武岩材料，以便更好地理解系外行星的成分，利用来自詹姆斯·韦布太空望远镜的数据。”
加泽尔和艾米莉·费斯特，康奈尔大学的前研究员，现在是明尼苏达州马凯斯特学院的助理教授，共同撰写了一篇题为《玄武岩类岩石系外行星的中红外光谱》的论文，并于11月14日在《自然天文学》上发表。
根据加泽尔的说法，构建他们数据库的第一步是了解矿物如何记录形成这些岩石过程的过程，并分析它们的光谱特征。
“我们预期大多数系外行星将会产生玄武岩。它们的宿主星的金属丰度导致地幔矿物（铁镁硅酸盐）形成，当这些熔化时，平衡预测将形成玄武岩熔岩，”加泽尔表示。“这种情况不仅在我们的太阳系中普遍存在，而且在整个银河系中也会出现。”
费斯特对15种玄武岩样本进行了辐射率测量——衡量表面辐射的能量——以识别可能被太空望远镜的中红外光谱仪探测到的光谱特征。
当玄武岩熔岩在系外行星上喷发并固化时，会在地球上形成称为熔岩的岩石。如果存在水，该岩石可能与水相互作用，从而形成新的水合矿物，这在红外光谱中易于检测。这些改变过的矿物可能表现为角闪石（一个水合硅酸盐）或蛇纹岩（另一种水合硅酸盐，类似蛇皮）。
通过仔细审查玄武岩样本之间的微小光谱变化，科学家们可以理论上辨别出一个系外行星是否曾经拥有表面水或在其内部有水，加泽尔解释道。
然而，检测水的证据并不是即时的，仍需要进一步的研究才能利用这些测量。詹姆斯·韦布太空望远镜（JWST）位于距地球约100万英里处，可能需要数十到数百小时进行对光年外恒星系统的观察，然后再花更多时间分析收集的数据。
在寻找可以测试他们假设的岩石系外行星以及分析15种不同特征的过程中，研究团队使用了来自位于大约48光年外的红矮星的超地球系外行星LHS 3844b的数据。
与天文学助理教授尼科尔·刘易斯相关的伊尚·米什拉，开发了计算机代码来模拟费斯特的光谱数据，以模拟不同系外行星表面在JWST下可能的外观。
刘易斯指出，这些建模工具最初是用于不同目的。“伊尚的编码工具最初用于研究我们太阳系中的冰月球，”她强调道。“现在，我们试图将我们在太阳系中发现的知识转化为系外行星。”
费斯特提到：“我们的目标并不是专门研究LHS 3844b行星，而是探索可以在JWST和其他天文台近未来观察到的一系列可行的玄武岩类岩石系外行星。”
研究人员观察到，对岩石系外行星的探索大多数仅限于分析单一数据点——仅在科学文献中检测一种化学物质的证据。这种趋势正在发生改变，天文学家们越来越多地利用JWST研究多个成分。
通过努力识别与矿物学和整体化学成分相关的特征——例如岩石中硅、铝和镁的水平——地质学家可以获得岩石形成条件的见解，他们说道。
费斯特解释道：“在地球上，将来自海洋深处中脊的玄武岩与来自夏威夷等岛屿火山喷发的玄武岩进行比较，化学成分显示出明显的差异。然而，元素成分相似的岩石可能有不同的矿物，使得这两个性质在分析中都是至关重要的。”
除了费斯特，加泽尔、刘易斯和米什拉，合著者还包括来自东北大学的乔纳森·莱泰’23和最近从国家标准与技术研究所退休的物理学家伦纳德·汉森博士’85。
刘易斯是康奈尔大学卡尔·萨根研究所的教员研究员。
这项研究得到了国家科学基金会、国家标准与技术研究所和海辛-西蒙斯基金会/51Pegasi b奖学金的支持。
