Силициевият лед обгръща огнената атмосфера на горещата екзопланета Юпитер

Люспи от силициев „сняг“ изпълват небето на прегрятата, подпухнала екзопланета WASP-17 b.

Поглед към един от най-често срещаните и познати минерали на Земята рядко заслужава заглавие. Кварцът се намира в плажния пясък, строителните камъни, геодите и магазините за скъпоценни камъни по целия свят. Той се топи, за да се получи стъкло, рафинира се за силициеви микрочипове и се използва в часовници за запазване на времето.

И така, какво отличава последното откритие от? НАСА‘с Космически телескоп Джеймс Уеб? Представете си кварцови кристали, които буквално се появяват от нищото. Мъгла от блестящи зърна, толкова малки, че 10 000 от тях могат да се поберат едно до друго върху човешки косъм. Рояци заострени стъклени наночастици препускат през горещата атмосфера на пухкав газов гигант Екзопланета С хиляди мили в час.

Уникалната способност на Webb да измерва изключително фините ефекти на тези кристали върху звездната светлина – и от разстояние най-малко от седем милиона милиарда мили – предоставя важна информация за състава на екзопланетните атмосфери и нови прозрения за тяхното време.

Спектърът на предаване на екзопланетата с горещ газ WASP-17 b, заснет от MIRI (Webb Mid-Infrared Instrument) на 12-13 март 2023 г., разкрива първите доказателства за кварц (кристален силициев диоксид, SiO2) в облаците на екзопланетата. .
Спектърът е направен чрез измерване на промяната в яркостта на 28 ленти с дължина на вълната на средна инфрачервена светлина, докато планетата преминава покрай своята звезда. Webb наблюдава системата WASP-17, използвайки MIRI спектрометър с ниска разделителна способност за около 10 часа, събирайки повече от 1275 измервания преди, по време и след преминаването.
За всяка дължина на вълната количеството светлина, блокирано от атмосферата на планетата (бели кръгове), беше изчислено чрез изваждане на количеството, преминало през атмосферата, от количеството, първоначално излъчено от звездата.
Плътната лилава линия е моделът, който най-добре отговаря на данните на Webb (MIRI), Hubble и Spitzer. (Данните на Хъбъл и Спицър обхващат дължини на вълните от 0,34 до 4,5 микрона и не са показани на графиката.) Спектърът показва ясна характеристика при около 8,6 микрона, която астрономите смятат, че е причинена от силициевите частици, поглъщащи част от звездната светлина, преминаваща през атмосферата .
Жълтата пунктирана линия показва как би изглеждала тази част от спектъра на предаване, ако облаците в атмосферата на WASP-17 b не съдържат SiO2.
Това е първият път, когато SiO2 е идентифициран в екзопланета и първият път, когато някакъв специфичен тип облак е идентифициран в преминаваща екзопланета.
Кредит на изображението: NASA, ESA, CSA, Ралф Крауфорд (STScI), Дейвид Грант (Университет на Бристол), Хана Р. Уейкфорд (Университет на Бристол), Никол Луис (Университет Корнел)

Космическият телескоп Webb открива малки кварцови кристали в гигантски облаци горещ газ

Изследователи, използващи космическия телескоп Джеймс Уеб на НАСА, откриха доказателства за кварцови нанокристали в облаците на голяма надморска височина на WASP-17 b, гореща планета. Юпитер Екзопланета на 1300 светлинни години от Земята. Това откритие, което беше уникално възможно с помощта на MIRI (среден инфрачервен инструмент на Webb), представлява първият път, когато е открит силициев диоксид (SiO).₂) Открити са частици в атмосферата на екзопланета.

„Бяхме развълнувани!“ Дейвид Грант, изследовател в… Бристолски университет В Обединеното кралство и първи автор на статия, публикувана днес (16 октомври) в Astrophysical Journal Letters. „От наблюденията на Хъбъл знаехме, че аерозолите – малки частици, които образуват облаци или мъгла – трябва да присъстват в атмосферата на WASP-17 b, но не очаквахме те да бъдат направени от кварц.“

Силикатите (минерали, богати на силиций и кислород) съставляват по-голямата част от Земята и Луната, както и други скалисти тела в нашата слънчева система, и са изключително разпространени в цялата галактика. Но силикатните зърна, открити по-рано в атмосферата на екзопланети и кафяви джуджета, изглежда са направени от богати на магнезий силикати като оливин и пироксен, а не само от кварц – който е чист SiO.₂.

Откритието на този екип, който също включва изследователи от изследователския център на НАСА Еймс и Центъра за космически полети Годард на НАСА, поставя ново завъртане в нашето разбиране за това как се формират и развиват екзопланетните облаци. „Напълно очаквахме да видим магнезиев силикат“, каза съавторът Хана Уейкфорд, също от университета в Бристол. „Но това, което виждаме вместо това, вероятно са градивните елементи на тези частици, малките частици „семена“, необходими за образуването на по-големите силикатни зърна, които откриваме в студени екзопланети и кафяви джуджета.“

Открийте фините разлики

С обем повече от седем пъти по-голям от размера на Юпитер и маса, по-малка от половината от тази на Юпитер, WASP-17 b е една от най-големите и най-раздути екзопланети, известни. Това, съчетано с нейния кратък орбитален период от само 3,7 земни дни, прави планетата идеална за трансмисионна спектроскопия: техника, която включва измерване на ефектите на филтриране и разсейване на атмосферата на планетата върху звездната светлина.

Webb наблюдава системата WASP-17 в продължение на около 10 часа, събирайки повече от 1275 измервания на яркостта на 5- до 12-микрона средна инфрачервена светлина, докато планетата преминава през звездата си. Чрез изваждане на яркостта на отделните дължини на вълната на светлината, достигнали до телескопа, когато планетата е била пред звездата, от тази на самата звезда, екипът успя да изчисли колко от всяка дължина на вълната е блокирана от атмосферата на планетата.

Това, което се появи, беше неочаквано „подуване“ при 8,6 микрона, характеристика, която не би се очаквала, ако облаците бяха направени от магнезиев силикат или други потенциално високотемпературни аерозоли като алуминиев оксид, но има смисъл, ако бяха направени от кварц .

Кристали, облаци и вятър

Въпреки че тези кристали може да са подобни по форма на заострените шестоъгълни призми, открити в геодези и магазини за скъпоценни камъни на Земята, всеки от тях е само около 10 нанометра в диаметър – една милионна от сантиметъра.

„Данните от Хъбъл всъщност изиграха ключова роля при определянето на размера на тези частици“, обясни съавторът Никол Люис от университета Корнел, която ръководи уеб програмата за гарантирано времево наблюдение (GTO), предназначена да помогне за изграждането на 3D изглед на горещи планети. Атмосферата на Юпитер. „Ние знаем за наличието на силициев диоксид само от MIRI данните на Webb, но се нуждаехме от видими и почти инфрачервени наблюдения от Хъбъл за контекст, за да знаем колко големи са кристалите.“

За разлика от минералните частици, открити в облаците на Земята, кварцовите кристали, открити в облаците на WASP-17 b, не са били открити от скалиста повърхност. Вместо това те произхождат от самата атмосфера. „WASP-17 b е изключително горещ – около 2700 градуса Е (1500 градуса Целзий) – Налягането, при което кварцовите кристали се образуват високо в атмосферата, не надвишава около една хилядна от това, което изпитваме на повърхността на Земята. „При тези условия твърдите кристали могат да се образуват директно от газа, без първо да преминават през течна фаза.“

Разбирането на компонентите на облаците е от решаващо значение за разбирането на планетата като цяло. Горещите юпитери като WASP-17 b са съставени основно от водород и хелий, с малки количества други газове като водна пара (H).₂O) и въглероден диоксид (CO₂). „Ако вземем предвид само кислорода, съдържащ се в тези газове, и пренебрегнем включването на целия кислород, уловен в минерали като кварц (SiO),₂Драстично ще намалим общото изобилие“, обясни Уейкфорд. „Тези красиви силициеви кристали ни разказват за инвентара на различни материали и как всички те се събират, за да оформят околната среда на тази планета.“

Трудно е да се определи точно колко кварц присъства и колко широко са разпространени облаците. „Облаците вероятно ще присъстват по време на прехода между деня и нощта, което е областта, която нашите наблюдения изследват“, каза Грант. Тъй като планетата е приливно заключена с много гореща дневна страна и по-хладна нощна страна, облаците вероятно обикалят около планетата, но се изпаряват, когато достигнат по-горещата дневна страна. „Вятърът може да движи тези малки стъклени частици с хиляди мили в час.“

WASP-17 b е една от трите планети, насочени от екипа от учени на JWST за дълбоко разузнаване на екзопланетни атмосфери с помощта на сонди за многоинструментална спектроскопия с резолюция (DREAMS), които са предназначени да събират изчерпателен набор от наблюдения на един представител от всяка основна клас екзопланети. : Юпитер е горещ, топъл НептунИ умерено скалиста планета. MIRI наблюдения на горещия Юпитер WASP-17 b бяха направени като част от програмата GTO 1353.

Справка: „JWST-TST Dreams: Кварцови облаци в атмосферата на WASP-17b“ от Дейвид Грант, Никол К. Луис, Хана Р. Уейкфорд, Наташа Е. Батала, Анна Глидън, Джайеш Гоял, Илайджа Мълинс, Райън Дж. Макдоналд, Ерин М. Мей, Сара Сийгър, Кевин Б. Стивънсън, Джеф А. Валенти, Чанън Фишър, Лили Алдерсън, Натали Х. Алън, Калеб И. Каняс, Кенкол Колон, Марк Клампин, Нестор Еспиноза, Амели Гресие, Джингшенг Хуанг, Зифан Лин, Дъглас Лонг, Дана Р. Лоу, Мария Пеня Гереро, Сукрит Ранган, Кристин С. Соцен, Даниел Валънтайн, Джей Андерсън, Уилям О. Палмър, Андреа Белини, Келан К. У. Хох, Йенс Камерер, Матиа Либералто, К. Мат Маунтин, Маршал де Перин, Лоран Бойо, Емили Рикман, Изабел Реболедо, Сангмо Тони Сон, Роланд П. ван дер Марел и Лора Л. Уоткинс, 16 октомври 2023 г. Astrophysical Journal Letters.
doi: 10.3847/2041-8213/acfc3b

Космическият телескоп Джеймс Уеб е водещата световна обсерватория за космическа наука. Уеб разрешава мистериите на нашата слънчева система, поглежда отвъд далечните светове около други звезди и изследва мистериозните структури и произхода на нашата вселена и нашето място в нея. WEB е международна програма, ръководена от НАСА и нейните партньори Европейската космическа агенция (ESA).Европейска космическа агенция) и Канадската космическа агенция.