Исследователи, используя космический телескоп Джеймса Уэбба НАСА, обнаружили доказательства наличия кварцевых нанокристаллов в высокогорных облаках WASP-17 b, горячей экзопланеты типа Горячий Юпитер, находящейся на расстоянии 1300 световых лет от Земли. Обнаружение, которое было уникально возможным благодаря MIRI (Инфракрасному инструменту Уэбба среднего инфракрасного диапазона), является первым случаем, когда частицы диоксида кремния (SiO2) были обнаружены в атмосфере экзопланеты.
"Мы были в восторге!" - сказал Дэвид Грант, исследователь из Университета Бристоля в Великобритании и первый автор статьи, опубликованной сегодня в Astrophysical Journal Letters. "Мы знали из наблюдений телескопа «Хаббл», что в атмосфере WASP-17 b должны быть аэрозоли - мельчайшие частицы, составляющие облака или мглу, но мы не ожидали, что они будут сделаны из кварца."
Силикаты (минералы, богатые кремнием и кислородом) составляют основную массу Земли и Луны, а также других каменистых объектов в нашей солнечной системе и встречаются во всей галактике. Однако силикатные частицы, ранее обнаруженные в атмосферах экзопланет и коричневых карликов, представляли собой магниевые силикаты, такие как оливин и пироксен, а не только чистый кварц (SiO2).
Результаты этой команды, куда также входят исследователи из Амесовского и Годдардовского центров НАСА, дают новое понимание тому, как формируются и развиваются облака на экзопланетах. "Мы полностью ожидали увидеть магниевые силикаты", - сказала соавтор статьи Ханна Уэйкфорд, также из Университета Бристоля. "Но вместо этого мы, скорее всего, видим зерна - мельчайшие 'зародыши' частиц, необходимые для формирования более крупных силикатных частиц, которые мы обнаруживаем в более холодных экзопланетах и коричневых карликах."
Обнаружение тонких вариаций С объемом более чем в семь раз больше, чем у Юпитера, и массой менее половины Юпитера, WASP-17 b - одна из самых больших и "пушистых" известных экзопланет. Это, вместе с ее коротким орбитальным периодом всего 3,7 земных дня, делает планету идеальной для техники трансмиссионной спектроскопии: метода, включающего измерение фильтрационных и рассеивающих эффектов атмосферы планеты на звездное светило.
Телескоп Уэбб наблюдал систему WASP-17 в течение почти 10 часов, собрав более 1275 измерений яркости света среднего инфракрасного диапазона от 5 до 12 микрон, когда планета пересекала свою звезду. Вычитая яркость отдельных длин волн света, достигающего телескопа, когда планета находилась перед звездой, от яркости светила, команда смогла рассчитать количество каждой длины волны, заблокированной атмосферой планеты.
Что было обнаружено, так это неожиданный "горб" на 8,6 микрон, что было бы непредсказуемо, если бы облака состояли из магниевых силикатов или других возможных аэрозолей высокой температуры, таких как оксид алюминия, но это имеет смысл, если они сделаны из кварца.
Кристаллы, Облака и Ветры
Хотя эти кристаллы, вероятно, по форме схожи с острыми гексагональными призмами, которые можно найти в геодах и ювелирных магазинах на Земле, каждый из них имеет размер всего около 10 нанометров - одна миллионная доля сантиметра.
"Данные телескопа «Хаббл» действительно сыграли ключевую роль в ограничении размера этих частиц", объяснила соавтор статьи Николь Льюис из Корнелльского университета, которая руководит программой гарантированного времени наблюдений (GTO) Уэбба, предназначенной для создания трехмерного представления об атмосфере горячего Юпитера. "Мы знаем о наличии диоксида кремния только из данных MIRI Уэбба, но нам нужны видимые и ближние инфракрасные наблюдения телескопа «Хаббл» для контекста, чтобы определить размеры кристаллов".
В отличие от минеральных частиц, обнаруженных в облаках на Земле, кварцевые кристаллы, обнаруженные в облаках WASP-17 b, не поднимаются с каменистой поверхности. Вместо этого они образуются в самой атмосфере. "WASP-17 b очень горячая планета - около 1500 градусов по Цельсию (2700°F), и давление в ее верхних слоях атмосферы составляет всего около одной тысячной части давления, которое мы испытываем на поверхности Земли", пояснил Грант. "В таких условиях твердые кристаллы могут образовываться напрямую из газа, без прохождения фазы жидкости".
Понимание состава облаков имеет важное значение для понимания планеты в целом. Горячие Юпитеры, такие как WASP-17 b, состоят в основном из водорода и гелия, с небольшими количествами других газов, таких как водяяя пар (H2O) и углекислый газ (CO2). "Если мы учтем только кислород, который содержится в этих газах, и не учтем кислород, связанный в минералах, таких как кварц (SiO2), мы существенно недооценим общее содержание", пояснила Уэйкфорд. "Эти красивые кремниевые кристаллы рассказывают нам о запасах различных материалов и о том, как они взаимодействуют для формирования окружающей среды на этой планете".
Точное количество кварца и распространенность облаков сложно определить. "Облака, вероятно, присутствуют вдоль границы между днем и ночью (терминатором), что исследуют наши наблюдения", сказал Грант. Учитывая, что планета прилипла к своей звезде и имеет очень жаркую дневную сторону и прохладную ночную сторону, вероятно, облака циркулируют вокруг планеты, но испаряются, когда достигают жаркой дневной стороны. "Ветры могут перемещать эти маленькие стеклянные частицы со скоростью тысяч миль в час".
WASP-17 b - одна из трех планет, выбранных командой ученых JWST-Telescope Scientist Team для проведения глубокой рекогносцировки атмосфер экзопланет с использованием многоканальной спектроскопии (DREAMS), предназначенной для сбора всесторонних наблюдений по одной представительной планете из каждого ключевого класса экзопланет: горячего Юпитера, теплого Нептуна и умеренной каменистой планеты. Наблюдения MIRI горячего Юпитера WASP-17 b были проведены в рамках программы GTO 1353.
Космический телескоп Джеймса Уэбба - это ведущий мировой космический научный обсерваторий. Уэбб раскрывает загадки в нашей солнечной системе, смотрит за пределы на отдаленные миры вокруг других звезд и исследует таинственные структуры и происхождение нашей вселенной и нашего места в ней. Уэбб - это международная программа под руководством НАСА с участием его партнеров - Европейского космического агентства (ESA) и Канадского космического агентства.
Оригинальная статья NASA: https://www.nasa.gov/missions/webb/webb-detects-tiny-quartz-crystals-in-the-clouds-of-a-hot-gas-giant/
