Кремнеземный лед окутывает огненную атмосферу горячей экзопланеты Юпитер

Хлопья кремнеземного «снега» заполняют небо перегретой пухлой экзопланеты WASP-17 b.

Взгляд на один из самых распространенных и знакомых минералов на Земле редко заслуживает заголовка. Кварц встречается в пляжном песке, строительных камнях, жеодах и магазинах драгоценных камней по всему миру. Его плавят для производства стекла, очищают для кремниевых микрочипов и используют в часах для отсчета времени.

Так чем же отличается последнее открытие от? НАСА‘s Космический телескоп Джеймса Уэбба? Представьте себе кристаллы кварца, возникающие буквально из воздуха. Туман из мерцающих крупинок, настолько маленьких, что 10 000 из них могли бы уместиться рядом в человеческом волосе. Рой заостренных стеклянных наночастиц мчится через горячую атмосферу пухлого газового гиганта Экзопланета Со скоростью тысяч миль в час.

Уникальная способность Уэбба измерять чрезвычайно тонкое воздействие этих кристаллов на звездный свет — и, по крайней мере, на расстоянии более семи миллионов миллиардов миль — дает важную информацию о составе экзопланетных атмосфер и новое понимание их погоды.

Спектр передачи горячего газового гиганта экзопланеты WASP-17 b, полученный MIRI (средний инфракрасный прибор Уэбба) 12-13 марта 2023 года, обнаруживает первые признаки наличия кварца (кристаллического кремнезема, SiO2) в облаках экзопланеты. .
Спектр был получен путем измерения изменения яркости 28 диапазонов длин волн среднего инфракрасного света, когда планета проходит мимо своей звезды. Уэбб наблюдал за системой WASP-17 с помощью спектрометра MIRI низкого разрешения в течение примерно 10 часов, собрав более 1275 измерений до, во время и после транзита.
Для каждой длины волны количество света, блокируемого атмосферой планеты (белые кружки), рассчитывалось путем вычитания количества света, прошедшего через атмосферу, из количества, первоначально излученного звездой.
Сплошная фиолетовая линия — это модель, которая лучше всего соответствует данным Уэбба (МИРИ), Хаббла и Спитцера. (Данные Хаббла и Спитцера охватывают длины волн от 0,34 до 4,5 микрон и не показаны на графике.) В спектре видна четкая особенность на длине волны около 8,6 микрон, которая, по мнению астрономов, вызвана частицами кремнезема, поглощающими часть звездного света, проходящего через атмосферу. .
Желтой пунктирной линией показано, как бы выглядела эта часть спектра пропускания, если бы облака в атмосфере WASP-17 b не содержали SiO2.
Это первый раз, когда SiO2 был идентифицирован на экзопланете, и первый раз, когда какой-либо конкретный тип облака был идентифицирован на проходящей мимо экзопланете.
Изображение предоставлено: НАСА, ЕКА, ККА, Ральф Кроуфорд (STScI), Дэвид Грант (Бристольский университет), Ханна Р. Уэйкфорд (Бристольский университет), Николь Льюис (Корнелльский университет)

Космический телескоп Уэбб обнаружил крошечные кристаллы кварца в гигантских облаках горячего газа

Исследователи с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба НАСА обнаружили доказательства наличия нанокристаллов кварца в высотных облаках WASP-17 b, горячей планеты. Юпитер Экзопланета в 1300 световых годах от Земли. Это открытие, которое стало возможным благодаря использованию MIRI (среднего инфракрасного прибора Уэбба), представляет собой первый случай обнаружения кремнезема (SiO).₂) Частицы были обнаружены в атмосфере экзопланеты.

«Мы были в восторге!» Дэвид Грант, исследователь из… Бристольский университет В Великобритании и первый автор статьи, опубликованной сегодня (16 октября) в Письма в астрофизическом журнале. «Из наблюдений Хаббла мы знали, что в атмосфере WASP-17 b должны присутствовать аэрозоли — мелкие частицы, образующие облака или туман, — но мы не ожидали, что они состоят из кварца».

Силикаты (минералы, богатые кремнием и кислородом) составляют основную часть Земли и Луны, а также других каменистых тел в нашей Солнечной системе и чрезвычайно распространены по всей галактике. Но силикатные зерна, ранее обнаруженные в атмосферах экзопланет и коричневых карликов, по-видимому, состоят из богатых магнием силикатов, таких как оливин и пироксен, а не только из кварца, который представляет собой чистый SiO.₂.

Открытие этой группы, в которую также входят исследователи из Исследовательского центра Эймса НАСА и Центра космических полетов имени Годдарда НАСА, вносит новый поворот в наше понимание того, как формируются и развиваются экзопланетные облака. «Мы полностью ожидали увидеть силикат магния», — сказала соавтор Ханна Уэйкфорд, также из Бристольского университета. «Но вместо этого мы видим, скорее всего, строительные блоки этих частиц, крошечные «зародышевые» частицы, необходимые для формирования более крупных силикатных зерен, которые мы обнаруживаем на холодных экзопланетах и ​​коричневых карликах».

Откройте для себя тонкие различия

WASP-17 b, объём которой более чем в семь раз превышает размер Юпитера, и массу менее половины Юпитера, является одной из крупнейших и наиболее раздутых известных экзопланет. Это, в сочетании с коротким орбитальным периодом всего в 3,7 земных дня, делает планету идеальной для трансмиссионной спектроскопии: метода, который включает в себя измерение эффектов фильтрации и рассеяния атмосферы планеты на звездном свете.

Уэбб наблюдал за системой WASP-17 около 10 часов, собрав более 1275 измерений яркости 5-12-микронного среднего инфракрасного света во время прохождения планеты через свою звезду. Вычитая яркость отдельных длин волн света, достигших телескопа, когда планета находилась перед звездой, из яркости самой звезды, команда смогла вычислить, какая часть каждой длины волны была заблокирована атмосферой планеты.

В результате возник неожиданный «выпуклость» размером 8,6 микрон, особенность, которую нельзя было бы ожидать, если бы облака были сделаны из силиката магния или других потенциально высокотемпературных аэрозолей, таких как оксид алюминия, но это имело бы смысл, если бы они были сделаны из кварца. .

Кристаллы, облака и ветер

Хотя по форме эти кристаллы могут быть похожи на заостренные шестиугольные призмы, которые можно найти в жеодах и магазинах драгоценных камней на Земле, каждый из них имеет диаметр всего около 10 нанометров — миллионную долю сантиметра.

«Данные Хаббла на самом деле сыграли ключевую роль в определении размера этих частиц», — объяснила соавтор Николь Льюис из Корнельского университета, возглавляющая веб-программу гарантированного времени наблюдения (GTO), разработанную для создания трехмерного изображения горячих планет. Атмосфера Юпитера. «Мы знаем о присутствии кремнезема только по данным MIRI Уэбба, но нам нужны были видимые и ближние инфракрасные наблюдения Хаббла для контекста, чтобы знать, насколько велики кристаллы».

В отличие от минеральных частиц, обнаруженных в облаках на Земле, кристаллы кварца, обнаруженные в облаках WASP-17 b, не были обнаружены на каменистой поверхности. Вместо этого они возникают в самой атмосфере. «WASP-17 b очень горячий — около 2700 градусов. Ф (1500 градусов Цельсия) — Давление, при котором образуются кристаллы кварца высоко в атмосфере, не превышает примерно одной тысячной того, что мы испытываем на поверхности Земли. «В этих условиях твердые кристаллы могут образовываться непосредственно из газа, минуя сначала жидкую фазу».

Понимание компонентов облаков имеет решающее значение для понимания планеты в целом. Горячие юпитеры, такие как WASP-17 b, состоят в основном из водорода и гелия с небольшим количеством других газов, таких как водяной пар (H).₂O) и диоксид углерода (CO₂). «Если мы рассмотрим только кислород, содержащийся в этих газах, и пренебрежем включением всего кислорода, заключенного в минералах, таких как кварц (SiO),₂Мы резко сократим общую численность», — объяснил Уэйкфорд. «Эти красивые кристаллы кремнезема рассказывают нам о наличии различных материалов и о том, как все они собираются вместе, формируя окружающую среду этой планеты».

Трудно точно определить, сколько кварца присутствует и насколько широко распространены облака. «Облака, скорее всего, будут присутствовать в период перехода между днем ​​и ночью, и это область, которую исследуют наши наблюдения», — сказал Грант. Поскольку планета приливно-отливно связана с очень жаркой дневной стороной и более прохладной ночной стороной, облака, вероятно, вращаются вокруг планеты, но испаряются, когда достигают более жаркой дневной стороны. «Ветер может перемещать эти крошечные частицы стекла со скоростью тысячи миль в час».

WASP-17 b — одна из трех планет, на которые нацелена группа ученых JWST для глубокой разведки экзопланетных атмосфер с использованием зондов многоинструментальной спектроскопии разрешения (DREAMS), которые предназначены для сбора полного набора наблюдений за одним представителем каждой крупной планеты. класс экзопланет. : Юпитер горячий, теплый. НептунИ умеренно каменистая планета. MIRI-наблюдения горячего Юпитера WASP-17 b проводились в рамках программы GTO 1353.

Ссылка: «Сны JWST-TST: кварцевые облака в атмосфере WASP-17b», Дэвид Грант, Николь К. Льюис, Ханна Р. Уэйкфорд, Наташа Э. Баталья, Анна Глидден, Джайеш Гоял, Элайджа Маллинз, Райан Дж. Макдональд, Эрин М. Мэй, Сара Сигер, Кевин Б. Стивенсон, Джефф А. Валенти, Чэннон Фишер, Лили Олдерсон, Натали Х. Аллен, Калеб И. Каньяс, Кенкол Колон, Марк Клэмпин, Нестор Эспиноза, Амели Грезье, Цзиншэн Хуанг, Зифан Линь, Дуглас Лонг, Дана Р. Лоу, Мария Пенья Герреро, Сукрит Ранган, Кристин С. Сотцен, Дэниэл Валентайн, Джей Андерсон, Уильям О. Палмер, Андреа Беллини, Келлан К.В. Хох, Йенс Каммерер, Маттиа Либеральто, К. Мэтт Маунтин, Маршалл де Перрен, Лоран Бойо, Эмили Рикман, Изабель Реболледо, Сангмо Тони Сон, Роланд П. ван дер Марель и Лора Л. Уоткинс, 16 октября 2023 г., Письма в астрофизическом журнале.
дои: 10.3847/2041-8213/acfc3b

Космический телескоп Джеймса Уэбба — ведущая в мире обсерватория космической науки. Уэбб разгадывает тайны нашей Солнечной системы, смотрит за пределы далеких миров вокруг других звезд и исследует загадочные структуры и происхождение нашей Вселенной и наше место в ней. WEB — это международная программа, возглавляемая НАСА совместно с Европейским космическим агентством (ЕКА).Европейское космическое агентство) и Канадское космическое агентство.