Силикаты, т.е. минералы, богатые кремнием и кислородом, очень распространены на Земле и Луне, а также в других каменистых телах нашей Солнечной системы. Однако в атмосферах внесолнечных планет и коричневых карликов силикаты, обнаруженные до сих пор, были в основном богаты магнием, например оливин и пироксен.
Теперь с помощью аппарата «Джеймс Уэбб» в облаках атмосферы WASP-17 b, горячей гигантской экзопланеты типа Юпитера, находящейся на расстоянии 1300 световых лет от Земли, обнаружены следы нанокристаллов кварца. Это открытие стало возможным благодаря высокой чувствительности MIRI (Mid InfraRed Instrumet) космического аппарата «Джеймс Уэбб» и представляет собой первое обнаружение частиц чистого кремнезема (SiO2) в экзоатмосфере.
Хаббл уже заставил ученых заподозрить, что облака WASP-17 b содержат аэрозоли, но никто не предполагал, что эти крошечные частицы состоят из кварца. Таким образом, полученный результат вносит новый поворот в понимание того, как формируются и эволюционируют облака планет, отличных от нашей планетарной системы.
Открытие Уэбба
WASP-17 b — одна из самых крупных и раздутых внесолнечных планет из всех известных. Ее объем более чем в семь раз превышает объем Юпитера, а масса — менее половины массы Юпитера. Это, а также короткий орбитальный период, составляющий всего 3,7 земных суток, делает планету идеальным объектом для трансмиссионной спектроскопии. Этот метод предполагает измерение эффектов фильтрации и рассеяния звездного света атмосферой планеты.
Наблюдения за WASP-17 продолжались почти 10 часов, в течение которых было получено более 1275 измерений яркости света в среднем инфракрасном диапазоне от 5 до 12 мкм, когда планета проходила перед звездой-хозяйкой. Вычитая яркость отдельных длин волн света, попавших в телескоп, когда планета находилась перед звездой, из яркости самой звезды, специалисты смогли рассчитать количество волн, заблокированных атмосферой планеты.
В результате был обнаружен неожиданный сигнал в области 8,6 мкм (см. график ниже), чего нельзя было бы ожидать, если бы облака состояли из силикатов магния или других возможных высокотемпературных аэрозолей, таких как оксид алюминия. Однако это вполне логично, если облака состоят из кварца.
Атмосфера из кристаллов
Кристаллы кварца в атмосфере WASP-17 b — это, конечно, не те драгоценные камни, которые мы привыкли видеть, но, скорее всего, они имеют ту же остроконечную форму шестигранной призмы. Хотя их размер составляет всего около 10 нанометров, или одну миллионную долю сантиметра.
Такая оценка стала возможной благодаря MIRI, который в среднем инфракрасном диапазоне позволил обнаружить эти крошечные кристаллы в атмосфере горячего Юпитера и понять некоторые их характеристики. В отличие от минеральных частиц, встречающихся в земных облаках, кристаллы кварца в облаках WASP-17 b, по-видимому, не сметаются с поверхности планеты, а зарождаются в самой атмосфере.
WASP-17 b, действительно, очень горячий объект с температурой поверхности 1500 градусов Цельсия. Давление, при котором образуются эти кристаллы в верхних слоях атмосферы, составляет лишь тысячную долю от того, которое мы испытываем на поверхности Земли. В таких условиях твердые кристаллы могут образовываться непосредственно из газа, не проходя предварительно через жидкую фазу.
Сколько там кварца? И как выглядят облака?
WASP-17 b — одна из трех планет, выбранных для исследования в рамках программы Deep Reconnaissance of Exoplanet Atmospheres («Глубокая разведка атмосфер экзопланет»), проводимой группой ученых телескопа JWST с помощью многоинструментальной спектроскопии (DREAMS) и направленной на сбор полного набора наблюдений представителя каждого из ключевых классов экзопланет. Горячий Юпитер, горячий Нептун и умеренная каменистая планета.
Понимание того, из чего состоят облака экзопланетных атмосфер, крайне важно для понимания планет в целом. Атмосферы горячих юпитеров, таких как WASP-17 b, состоят в основном из водорода и гелия, с небольшим количеством других газов, таких как водяной пар и углекислый газ. «Эти прекрасные кристаллы кремнезема рассказывают нам о запасах различных материалов и о том, как они вместе формируют окружающую среду этой планеты», — пояснила соавтор работы Ханна Уэйкфорд (Hannah Wakeford) из Бристольского университета.
Однако определить точное количество кварца и распространенность облаков довольно сложно. Вероятно, они присутствуют вдоль перехода день/ночь, линии терминатора, которая и является областью, исследуемой в ходе наблюдений. Однако, поскольку планета привязана к приливам и отливам, т.е. имеет очень жаркую дневную сторону и более холодную ночную, вероятно, что облака циркулируют вокруг планеты, но испаряются, когда достигают более теплой дневной стороны. Будет интересно выяснить это в ходе будущих исследований.