Lód krzemionkowy otacza ognistą atmosferę gorącej egzoplanety Jowisz

Płatki krzemionkowego „śniegu” wypełniają niebo przegrzanej, puszystej egzoplanety WASP-17 b.

Spojrzenie na jeden z najpowszechniejszych i najbardziej znanych minerałów na Ziemi rzadko zasługuje na nagłówek. Kwarc można znaleźć w piasku plażowym, kamieniach budowlanych, geodach i sklepach z klejnotami na całym świecie. Jest topiony w celu wytworzenia szkła, rafinowany pod kątem krzemowych mikrochipów i używany w zegarkach do odmierzania czasu.

Czym więc różni się najnowsze odkrycie? NASA’S Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba? Wyobraź sobie kryształy kwarcu dosłownie pojawiające się z powietrza. Mgła połyskujących ziarenek tak małych, że 10 000 z nich mogłoby zmieścić się obok siebie na ludzkim włosie. Roje spiczastych nanocząstek szklanych pędzą przez gorącą atmosferę puszystego gazowego giganta Egzoplaneta Z prędkością tysięcy mil na godzinę.

Wyjątkowa zdolność Webba do pomiaru niezwykle subtelnego wpływu tych kryształów na światło gwiazd – i to przynajmniej z odległości ponad siedmiu milionów miliardów mil – dostarcza ważnych informacji na temat składu atmosfer egzoplanetarnych i nowych informacji na temat ich pogody.

Widmo transmisyjne egzoplanety z gorącym gazem WASP-17 b, zarejestrowane przez MIRI (Webb Mid-Infrared Instrument) w dniach 12–13 marca 2023 r., ujawnia pierwsze dowody obecności kwarcu (krzemionki krystalicznej, SiO2) w chmurach egzoplanety. .
Widmo wykonano mierząc zmianę jasności 28 pasm światła średniej podczerwieni, gdy planeta mija swoją gwiazdę. Webb obserwował system WASP-17 za pomocą spektrometru MIRI o niskiej rozdzielczości przez około 10 godzin, zbierając ponad 1275 pomiarów przed, w trakcie i po tranzycie.
Dla każdej długości fali obliczono ilość światła blokowanego przez atmosferę planety (białe kółka), odejmując ilość światła, które przeszło przez atmosferę od ilości światła pierwotnie wyemitowanej przez gwiazdę.
Ciągła fioletowa linia to model najlepiej dopasowany do danych Webba (MIRI), Hubble’a i Spitzera. (Dane z Hubble’a i Spitzera obejmują długości fal od 0,34 do 4,5 mikrona i nie są pokazane na wykresie.) Widmo wykazuje wyraźną cechę przy około 8,6 mikronach, co według astronomów jest spowodowane cząstkami krzemionki pochłaniającymi część światła gwiazd przechodzących przez atmosferę .
Żółta linia przerywana pokazuje, jak wyglądałaby ta część widma transmisji, gdyby chmury w atmosferze WASP-17 b nie zawierały SiO2.
Jest to pierwszy raz, kiedy SiO2 został zidentyfikowany na egzoplanecie i po raz pierwszy zidentyfikowano jakikolwiek konkretny typ chmury na przechodzącej egzoplanecie.
Zdjęcia: NASA, ESA, CSA, Ralph Crawford (STScI), David Grant (Uniwersytet w Bristolu), Hannah R. Wakeford (Uniwersytet w Bristolu), Nicole Lewis (Uniwersytet Cornell)

Kosmiczny Teleskop Webba wykrywa maleńkie kryształy kwarcu w gigantycznych obłokach gorącego gazu

Naukowcy korzystający z należącego do NASA Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba odkryli dowody na obecność nanokryształów kwarcu w chmurach znajdujących się na dużych wysokościach gorącej planety WASP-17 b. Jowisz Egzoplaneta oddalona o 1300 lat świetlnych od Ziemi. Odkrycie to, które było możliwe wyłącznie dzięki MIRI (instrumentowi pracującemu w średniej podczerwieni Webba), jest pierwszym w historii wykryciem krzemionki (SiO).₂) W atmosferze egzoplanety wykryto cząstki.

„Byliśmy zachwyceni!” David Grant, badacz w… Uniwersytet w Bristolu W Wielkiej Brytanii i pierwszy autor artykułu opublikowanego dzisiaj (16 października) w Listy do dzienników astrofizycznych. „Z obserwacji Hubble’a wiedzieliśmy, że aerozole – małe cząstki tworzące chmury lub mgłę – muszą być obecne w atmosferze WASP-17 b, ale nie spodziewaliśmy się, że będą zbudowane z kwarcu”.

Krzemiany (minerały bogate w krzem i tlen) stanowią większość Ziemi i Księżyca, a także innych ciał skalistych w naszym Układzie Słonecznym i są niezwykle powszechne w całej galaktyce. Jednak ziarna krzemianów wykryte wcześniej w atmosferach egzoplanet i brązowych karłów wydają się składać z krzemianów bogatych w magnez, takich jak oliwin i piroksen, a nie samego kwarcu – czyli czystego SiO.₂.

Odkrycie dokonane przez zespół, w skład którego wchodzą także badacze z NASA Ames Research Center i NASA Goddard Space Flight Center, rzuca nowe spojrzenie na naszą wiedzę na temat powstawania i ewolucji obłoków egzoplanetarnych. „W pełni spodziewaliśmy się zobaczyć krzemian magnezu” – powiedziała współautorka Hannah Wakeford, również z Uniwersytetu w Bristolu. „Ale zamiast tego widzimy prawdopodobnie elementy składowe tych cząstek, maleńkie cząstki „zalążkowe” potrzebne do uformowania większych ziaren krzemianów, które wykrywamy na zimnych egzoplanetach i brązowych karłach”.

Odkryj subtelne różnice

Mająca objętość ponad siedmiokrotnie większą od Jowisza i masę mniejszą o połowę mniejszą niż Jowisz, WASP-17 b jest jedną z największych i najbardziej rozdętych znanych egzoplanet. To, w połączeniu z krótkim okresem orbitalnym wynoszącym zaledwie 3,7 ziemskiego dnia, czyni planetę idealną do spektroskopii transmisyjnej: techniki polegającej na pomiarze filtrującego i rozpraszającego wpływu atmosfery planety na światło gwiazd.

Webb monitorował system WASP-17 przez około 10 godzin, zbierając ponad 1275 pomiarów jasności światła średniej podczerwieni o średnicy od 5 do 12 mikronów, gdy planeta przechodziła przez swoją gwiazdę. Odejmując jasność poszczególnych długości fal światła docierającego do teleskopu, gdy planeta znajdowała się przed gwiazdą, od jasności samej gwiazdy, zespół był w stanie obliczyć, jaka część każdej długości fali została zablokowana przez atmosferę planety.

Pojawiło się nieoczekiwane „guz” o wielkości 8,6 mikrona, czyli cecha, której nie można by się spodziewać, gdyby chmury były wykonane z krzemianu magnezu lub innych aerozoli potencjalnie wysokotemperaturowych, takich jak tlenek glinu, ale ma to sens, gdyby były wykonane z kwarcu .

Kryształy, chmury i wiatr

Choć kryształy te mogą mieć kształt podobny do spiczastych, sześciokątnych pryzmatów, które można znaleźć w geodach i sklepach z klejnotami na Ziemi, każdy z nich ma średnicę zaledwie około 10 nanometrów, czyli jedną milionową centymetra.

„Dane z Hubble’a faktycznie odegrały kluczową rolę w określeniu wielkości tych cząstek” – wyjaśniła współautorka Nicole Lewis z Cornell University, która kieruje programem internetowym dotyczącym obserwacji czasu gwarantowanego (GTO), którego zadaniem jest pomoc w tworzeniu trójwymiarowego widoku gorących planet. Atmosfera Jowisza. „Wiemy o obecności krzemionki wyłącznie na podstawie danych MIRI Webba, ale potrzebowaliśmy obserwacji w świetle widzialnym i bliskiej podczerwieni z Hubble’a, aby uzyskać kontekst, aby dowiedzieć się, jak duże są kryształy”.

W przeciwieństwie do cząstek mineralnych występujących w chmurach na Ziemi, kryształy kwarcu wykryte w chmurach WASP-17 b nie zostały odzyskane ze skalistej powierzchni. Zamiast tego powstają w samej atmosferze. „WASP-17 b jest niezwykle gorący – około 2700 stopni F (1500 stopni Celsjusz) – Ciśnienie, w którym kryształy kwarcu tworzą się wysoko w atmosferze, nie przekracza jednej tysięcznej tego, czego doświadczamy na powierzchni Ziemi. „W takich warunkach stałe kryształy mogą tworzyć się bezpośrednio z gazu, bez przechodzenia najpierw przez fazę ciekłą”.

Zrozumienie składników chmur ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia planety jako całości. Gorące Jowisze, takie jak WASP-17 b, składają się głównie z wodoru i helu, z niewielkimi ilościami innych gazów, takich jak para wodna (H).₂O) i dwutlenek węgla (CO₂). „Jeśli weźmiemy pod uwagę tylko tlen zawarty w tych gazach i zaniedbamy cały tlen uwięziony w minerałach takich jak kwarc (SiO),₂Radykalnie zmniejszymy ogólną liczebność” – wyjaśnił Wakeford. „Te piękne kryształy krzemionki mówią nam o zasobach różnych materiałów i o tym, jak łączą się one, aby kształtować środowisko tej planety”.

Trudno jest dokładnie określić, ile kwarcu jest obecne i jak rozległe są chmury. „Chmury prawdopodobnie będą obecne na przejściu między dniem a nocą, czyli na obszarze badanym przez nasze obserwacje” – powiedział Grant. Ponieważ planeta jest zablokowana pływowo, a strona dzienna jest bardzo gorąca, a nocna chłodniejsza, chmury prawdopodobnie krążą wokół planety, ale wyparowują, gdy dotrą do cieplejszej strony dziennej. „Wiatr może przenosić te maleńkie cząsteczki szkła z prędkością tysięcy mil na godzinę”.

WASP-17 b to jedna z trzech planet, na które skierował się zespół naukowców z JWST w celu głębokiego rozpoznania atmosfer egzoplanetarnych przy użyciu sond DREAMS (Resolution Multi-Instrument Spectroskopia), których zadaniem jest gromadzenie kompleksowego zestawu obserwacji pojedynczego przedstawiciela z każdej głównej planety. klasa egzoplanet. : Jowisz jest gorący i ciepły NeptunI umiarkowana skalista planeta. Obserwacje MIRI gorącego Jowisza WASP-17 b wykonano w ramach programu GTO 1353.

Odniesienie: „Sny JWST-TST: Chmury kwarcowe w atmosferze WASP-17b” autorstwa Davida Granta, Nicole K. Lewisa, Hannah R. WakefordNatasha E. Batalha, Anna Glidden, Jayesh Goyal, Elijah Mullins, Ryan J. MacDonald, Erin M. May, Sarah Seager, Kevin B. Stevenson, Jeff A. Valenti, Channon Fisher, Lily Alderson, Natalie H. Allen, Caleb I. Cañas, Kencol Colon, Mark Clampin, Nestor Espinoza, Amelie Gresier, Jingsheng Huang, Zifan Lin, Douglas Long, Dana R. Lowe, Maria Peña Guerrero, Sukrit Rangan, Christine S. Sotzen, Daniel Valentine, Jay Anderson, William O. Palmer, Andrea Bellini, Kellan K. W. Hoch, Jens Kammerer, Mattia Liberalto, C. Matt Mountain, Marshall de Perrin, Laurent Boyot, Emily Rickman, Isabel Rebolledo, Sangmo Tony Son, Roland P. van der Marel i Laura L. Watkins, 16 października 2023 r., Listy do dzienników astrofizycznych.
doi: 10.3847/2041-8213/acfc3b

Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba jest wiodącym na świecie obserwatorium nauk o kosmosie. Webb rozwiązuje tajemnice naszego Układu Słonecznego, spogląda poza odległe światy wokół innych gwiazd i bada tajemnicze struktury i pochodzenie naszego wszechświata oraz nasze w nim miejsce. WEB to międzynarodowy program prowadzony przez NASA wraz z partnerami Europejską Agencją Kosmiczną (ESA).Europejska Agencja Kosmiczna) i Kanadyjska Agencja Kosmiczna.