Kiezelzuurijs omhult de vurige atmosfeer van de hete exoplaneet Jupiter

Vlokken silica “sneeuw” vullen de hemel van de oververhitte, gezwollen exoplaneet WASP-17 b.

Een blik op een van de meest voorkomende en bekende mineralen op aarde verdient zelden een kop. Kwarts wordt gevonden in strandzand, bouwstenen, geodes en edelstenenwinkels over de hele wereld. Het wordt gesmolten om glas te produceren, verfijnd voor siliciummicrochips en gebruikt in horloges om de tijd bij te houden.

Dus waar onderscheidt de nieuwste ontdekking zich van? NASA‘S James Webb-ruimtetelescoop? Stel je voor dat kwartskristallen letterlijk uit het niets verschijnen. Een mist van glinsterende korrels, zo klein dat er 10.000 naast elkaar over een mensenhaar zouden kunnen passen. Zwermen puntige glazen nanodeeltjes racen door de hete atmosfeer van een gezwollen gasreus Exoplaneet Met duizenden kilometers per uur.

Het unieke vermogen van Webb om de uiterst subtiele effecten van deze kristallen op het sterrenlicht te meten – en op zijn minst vanaf een afstand van meer dan 11 miljoen miljard kilometer – levert belangrijke informatie op over de samenstelling van exoplanetaire atmosferen en nieuwe inzichten in hun weer.

Het transmissiespectrum van de hete gasreus exoplaneet WASP-17 b, vastgelegd door MIRI (Webb Mid-Infrared Instrument) op 12 en 13 maart 2023, onthult het eerste bewijs van kwarts (kristallijn silica, SiO2) in de wolken van de exoplaneet. .
Het spectrum werd gemaakt door de verandering in helderheid te meten van 28 golflengtebanden van midden-infraroodlicht terwijl de planeet zijn ster passeert. Webb observeerde het WASP-17-systeem met behulp van een MIRI-spectrometer met lage resolutie gedurende ongeveer 10 uur, waarbij hij meer dan 1.275 metingen verzamelde voor, tijdens en na de transit.
Voor elke golflengte werd de hoeveelheid licht die door de atmosfeer van de planeet werd geblokkeerd (witte cirkels) berekend door de hoeveelheid licht die door de atmosfeer ging af te trekken van de hoeveelheid licht die oorspronkelijk door de ster werd uitgezonden.
De ononderbroken paarse lijn is het model dat het beste past bij de gegevens van Webb (MIRI), Hubble en Spitzer. (De gegevens van Hubble en Spitzer bestrijken golflengten van 0,34 tot 4,5 micron en worden niet weergegeven in de grafiek.) Het spectrum vertoont een duidelijk kenmerk bij ongeveer 8,6 micron, wat volgens astronomen wordt veroorzaakt doordat silicadeeltjes een deel van het sterlicht absorberen dat door de atmosfeer gaat. .
De gele stippellijn laat zien hoe dit deel van het transmissiespectrum eruit zou zien als de wolken in de atmosfeer van WASP-17 b geen SiO2 zouden bevatten.
Dit is de eerste keer dat SiO2 is geïdentificeerd in een exoplaneet, en de eerste keer dat een specifiek type wolk is geïdentificeerd in een passerende exoplaneet.
Beeldcredits: NASA, ESA, CSA, Ralph Crawford (STScI), David Grant (Universiteit van Bristol), Hannah R. Wakeford (Universiteit van Bristol), Nicole Lewis (Cornell University)

De Webb-ruimtetelescoop detecteert kleine kwartskristallen in gigantische hete gaswolken

Onderzoekers die de James Webb-ruimtetelescoop van NASA gebruiken, hebben bewijs ontdekt van kwarts-nanokristallen in de hooggelegen wolken van WASP-17 b, een hete planeet. Jupiter Een exoplaneet op 1300 lichtjaar van de aarde. Deze ontdekking, die op unieke wijze mogelijk was met behulp van MIRI (het midden-infraroodinstrument van Webb), is de eerste keer dat silica (SiO) is gedetecteerd.₂) Er zijn deeltjes gedetecteerd in de atmosfeer van een exoplaneet.

“Wij waren heel blij!” David Grant, een onderzoeker bij… Universiteit van Bristol In het Verenigd Koninkrijk en eerste auteur van een artikel dat vandaag (16 oktober) is gepubliceerd in Astrofysische dagboekbrieven. “We wisten uit Hubble-waarnemingen dat aërosolen – kleine deeltjes die wolken of mist vormen – aanwezig moesten zijn in de atmosfeer van WASP-17 b, maar we hadden niet verwacht dat ze uit kwarts zouden bestaan.”

Silicaten (mineralen die rijk zijn aan silicium en zuurstof) vormen het grootste deel van de aarde en de maan, evenals van andere rotsachtige lichamen in ons zonnestelsel, en komen zeer vaak voor in de hele melkweg. Maar silicaatkorrels die eerder zijn gedetecteerd in de atmosfeer van exoplaneten en bruine dwergen lijken te zijn gemaakt van magnesiumrijke silicaten zoals olivijn en pyroxeen, en niet alleen van kwarts – wat puur SiO is.₂.

De bevinding van dit team, waartoe ook onderzoekers van NASA Ames Research Center en NASA Goddard Space Flight Center behoren, geeft een nieuwe draai aan ons begrip van hoe exoplanetaire wolken ontstaan ​​en evolueren. “We hadden volledig verwacht magnesiumsilicaat te zien”, zegt co-auteur Hannah Wakeford, ook van de Universiteit van Bristol. “Maar wat we in plaats daarvan zien zijn waarschijnlijk de bouwstenen van die deeltjes, de kleine ‘zaad’-deeltjes die nodig zijn om de grotere silicaatkorrels te vormen die we detecteren in koude exoplaneten en bruine dwergen.”

Ontdek de subtiele verschillen

Met een volume dat meer dan zeven keer zo groot is als Jupiter en een massa van minder dan de helft van die van Jupiter, is WASP-17 b een van de grootste en meest opgeblazen exoplaneten die we kennen. Dit, gecombineerd met zijn korte omlooptijd van slechts 3,7 aardse dagen, maakt de planeet ideaal voor transmissiespectroscopie: een techniek waarbij de filterende en verstrooiende effecten van de atmosfeer van een planeet op sterlicht worden gemeten.

Webb volgde het WASP-17-systeem gedurende ongeveer 10 uur en verzamelde meer dan 1.275 metingen van de helderheid van 5 tot 12 micron midden-infraroodlicht terwijl de planeet langs zijn ster trok. Door de helderheid van de individuele golflengten van het licht dat de telescoop bereikte toen de planeet zich vóór de ster bevond af te trekken van die van de ster alleen, kon het team berekenen hoeveel van elke golflengte werd geblokkeerd door de atmosfeer van de planeet.

Wat naar voren kwam was een onverwachte “bult” van 8,6 micron, een kenmerk dat niet verwacht zou zijn als de wolken gemaakt waren van magnesiumsilicaat of andere potentieel hoge temperatuur aerosolen zoals aluminiumoxide, maar volkomen logisch zijn als ze van kwarts waren gemaakt. .

Kristallen, wolken en wind

Hoewel deze kristallen qua vorm vergelijkbaar kunnen zijn met de puntige zeshoekige prisma’s die je in geodes en edelstenenwinkels op aarde aantreft, zijn ze allemaal slechts zo’n 10 nanometer in doorsnede – een miljoenste van een centimeter.

“De Hubble-gegevens speelden feitelijk een sleutelrol bij het bepalen van de grootte van deze deeltjes”, legt co-auteur Nicole Lewis van Cornell University uit, die leiding geeft aan het Guaranteed Time Observation (GTO) webprogramma dat is ontworpen om een ​​3D-weergave van hete planeten te helpen opbouwen. De atmosfeer van Jupiter. “Alleen al uit de MIRI-gegevens van Webb weten we over de aanwezigheid van silica, maar we hadden zichtbare en nabij-infraroodwaarnemingen van Hubble nodig voor context, om te weten hoe groot de kristallen zijn.”

In tegenstelling tot minerale deeltjes die in wolken op aarde worden aangetroffen, werden de kwartskristallen die in de wolken van WASP-17 b werden gedetecteerd, niet teruggevonden op een rotsachtig oppervlak. In plaats daarvan vinden ze hun oorsprong in de atmosfeer zelf. “WASP-17 b is extreem heet – ongeveer 2.700 graden F (1500 graden Celsius) – De druk waarbij kwartskristallen zich hoog in de atmosfeer vormen, bedraagt ​​niet meer dan ongeveer een duizendste van wat we op het aardoppervlak ervaren. “Onder deze omstandigheden kunnen zich rechtstreeks uit het gas vaste kristallen vormen, zonder eerst door een vloeibare fase te gaan.”

Het begrijpen van de componenten van wolken is cruciaal voor het begrijpen van de planeet als geheel. Hete Jupiters zoals WASP-17 b bestaan ​​voornamelijk uit waterstof en helium, met kleine hoeveelheden andere gassen zoals waterdamp (H).₂O) en kooldioxide (CO₂). “Als we alleen kijken naar de zuurstof die deze gassen bevatten, en alle zuurstof die gevangen zit in mineralen zoals kwarts (SiO) niet meerekenen,₂We zullen de algehele overvloed dramatisch verminderen”, legt Wakeford uit. “Deze prachtige silicakristallen vertellen ons over de inventaris van verschillende materialen en hoe ze allemaal samenkomen om de omgeving van deze planeet vorm te geven.”

Het is moeilijk om precies te bepalen hoeveel kwarts er aanwezig is en hoe wijdverspreid de wolken zijn. “De wolken zullen waarschijnlijk aanwezig zijn langs de overgang tussen dag en nacht, het gebied dat onze waarnemingen verkennen,” zei Grant. Omdat de planeet getijdegebonden is met een zeer hete dagzijde en een koelere nachtzijde, draaien wolken waarschijnlijk rond de planeet, maar verdampen ze wanneer ze de warmere dagzijde bereiken. “De wind kan deze kleine glasdeeltjes met duizenden kilometers per uur verplaatsen.”

WASP-17 b is een van de drie planeten waarop het JWST-team van wetenschappers zich richt voor Deep Reconnaissance of Exoplanetary Atmospheres met behulp van DREAMS-sondes (Resolutie Multi-Instrument Spectroscopy), die zijn ontworpen om een ​​uitgebreide reeks observaties te verzamelen van één enkele vertegenwoordiger van elke grote planeet. klasse van exoplaneten. : Jupiter is heet, warm NeptunusEn een gematigde rotsachtige planeet. MIRI-waarnemingen van de hete Jupiter WASP-17 b werden gemaakt als onderdeel van het GTO 1353-programma.

Referentie: “JWST-TST Dreams: Quartz Clouds in the Atmosphere of WASP-17b” door David Grant, Nicole K. Lewis, Hannah R. Wakeford, Natasha 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 KW 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 en Laura L. Watkins, 16 oktober 2023, Astrofysische dagboekbrieven.
doi: 10.3847/2041-8213/acfc3b

De James Webb-ruimtetelescoop is ’s werelds toonaangevende observatorium voor ruimtewetenschap. Webb lost de mysteries van ons zonnestelsel op, kijkt verder dan de verre werelden rond andere sterren en onderzoekt de mysterieuze structuren en oorsprong van ons universum en onze plaats daarin. WEB is een internationaal programma onder leiding van NASA en zijn partners, de European Space Agency (ESA).Europese Ruimtevaartorganisatie) en de Canadian Space Agency.