Минералы, насыщенные кремнием и кислородом, широко распространены на Земле, Луне и других скальных объектах нашей Солнечной системы. В атмосферах планет за пределами Солнечной системы и коричневых карликов до сих пор обнаруженные силикаты в основном богаты магнием, например оливин и пироксен.
Аппарат «Джеймс Уэбб» обнаружил следы нанокристаллов кварца в атмосфере WASP-17 b, горячей гигантской экзопланеты типа Юпитера, которая находится от Земли на расстоянии 1300 световых лет. Это открытие совершено благодаря высокой чувствительности инструмента MIRI (Mid InfraRed Instrumet) космического аппарата «Джеймс Уэбб» и стало первым обнаружением частиц чистого кремнезема (SiO2) в экзоатмосфере.
Телескоп Хаббл вызвал подозрения у учёных относительно наличия аэрозолей в атмосфере WASP-17 b. Но никто не ожидал, что эти мельчайшие частицы состоят из кварца. Данное открытие меняет наше понимание формирования и эволюции облаков планет за пределами нашей солнечной системы.
Открытие Уэбба
WASP-17 b — одна из самых больших и раздутых экзопланет, ее объем больше, чем у Юпитера в семь раз, а масса — меньше половины массы Юпитера. Короткий орбитальный период, всего 3,7 земных суток, делает её идеальным объектом для трансмиссионной спектроскопии. Этот метод основан на измерении эффектов фильтрации и рассеяния света звезды атмосферой планеты.
Продолжавшиеся почти 10 часов наблюдения WASP-17 предоставили более 1275 измерений яркости света в среднем инфракрасном диапазоне (5–12 мкм) во время прохождения планеты перед звездой-хозяйкой. Вычитая яркость отдельных длин волн света, попавших в телескоп при расположении планеты перед звездой, из яркости самой звезды, специалисты смогли рассчитать количество волн, заблокированных атмосферой планеты.
Обнаруженный в области 8,6 мкм сигнал оказался неожиданным (см. график ниже). Такой результат не был бы ожидаем, если бы облака состояли из силикатов магния или других высокотемпературных аэрозолей, таких как оксид алюминия. Появление же сигнала вполне логично, если облака состоят из кварца.
Атмосфера из кристаллов
Кристаллы кварца в атмосфере WASP-17 b, вероятно, имеют остроконечную форму шестигранной призмы, подобно знакомым нам драгоценным камням. Несмотря на то, что их размер составляет около 10 нанометров, или одну миллионную долю сантиметра.
Благодаря MIRI удалось оценить эти маленькие кристаллы в атмосфере горячего Юпитера.
MIRI обнаружил их в среднем инфракрасном диапазоне и определил некоторые характеристики. В отличие от минеральных частиц, встречающихся на Земле, кристаллы кварца в облаках WASP-17 b, скорее всего, образуются в атмосфере самой планеты, а не сметаются с её поверхности.
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 давления на поверхности Земли. В таких условиях твердые кристаллы могут образовываться непосредственно из газа, минуя жидкую фазу.
Сколько там кварца? И как выглядят облака?
WASP-17 b — одна из трёх планет, выбранных для исследования в рамках программы «Глубокая разведка атмосфер экзопланет». Группа учёных телескопа JWST проводит программу с помощью многоинструментальной спектроскопии (DREAMS) и собирает полный набор наблюдений представителей каждого из ключевых классов экзопланет: горячий Юпитер, горячий Нептун и умеренная каменистая планета.
Понимание состава атмосферы экзопланет очень важно для понимания самих планет. Атмосферы горячих Юпитеров, таких как WASP-17 b, в основном состоят из водорода и гелия с небольшим количеством других газов, например, водяного пара и углекислого газа. «Эти прекрасные кристаллы кремнезема рассказывают о запасах разных материалов и о том, как они вместе формируют окружающую среду этой планеты», — сказала соавтор работы Ханна Уэйкфорд из Бристольского университета.
Определение точного количества кварца и распространения облаков затруднительно. Вероятно, их присутствие вдоль перехода день/ночь, линии терминатора, являющейся областью наблюдений, не исключено. Планета, привязанная к приливам и отливам с горячей дневной стороной и более холодной ночной, вероятнее всего, обладает облаками, циркулирующими вокруг планеты, но испаряющимися при достижении теплой дневной стороны. Дальнейшие исследования позволят выяснить это.