Исследователи с помощью космического телескопа NASA «Джеймс Уэбб» обнаружили доказательства наличия нанокристаллов кварца в высотных облаках WASP-17 b, экзопланеты класса горячий юпитер, удаленной на 1 300 световых лет от Земли.
Обнаружение, которое стало возможным только с помощью инструмента среднего инфракрасного диапазона (MIRI), знаменует собой первый случай, когда частицы кремнезема (SiO2) были обнаружены в атмосфере экзопланеты.
«Мы были в восторге! — сказал Дэвид Грант, исследователь из Бристольского университета в Великобритании и ведущий автор статьи, опубликованной в Astrophysical Journal Letters. — Из наблюдений Хаббла [космического телескопа NASA/ESA «Хаббл»] мы знали, что в атмосфере WASP-17 b должны быть аэрозоли — крошечные частицы, составляющие облака или дымку, но мы не ожидали, что они состоят из кварца».
Силикаты (минералы, богатые кремнием и кислородом) составляют большую часть Земли и Луны, а также других каменистых объектов в нашей Солнечной системе. Они чрезвычайно широко распространены в Млечном Пути и, скорее всего, во всей Вселенной. Но силикатные зерна, ранее обнаруженные в атмосферах экзопланет и коричневых карликов, по-видимому, состоят из богатых магнием силикатов, таких как оливин и пироксен, а не только из кварца, который представляет собой чистый SiO2.
Результат этой команды, в которую также входят ученые NASA из Исследовательского центра Эймса и Центра космических полетов имени Годдарда, вносит значительный вклад в наше понимание того, как формируются и эволюционируют облака экзопланет.
«Мы вполне ожидали увидеть силикаты магния, — сказала Ханна Уэйкфорд, исследователь из Бристольского университета и соавтор научной статьи. — Но вместо этого мы видим, скорее всего, строительные блоки этих крошечных «затравочных» частиц, необходимых для формирования более крупных силикатных зерен, которые мы обнаруживаем на более холодных экзопланетах и коричневых карликах».
Изучение атмосферы WASP-17 b
WASP-17 b с объемом более чем в семь раз больше Юпитера и массой менее половины Юпитера является одной из крупнейших и самых «пухлых» известных экзопланет. Это, наряду с коротким периодом обращения всего в 3,7 земных дня, делает планету идеальной для трансмиссионной спектроскопии: метода обнаружения и исследования атмосфер экзопланет, который позволяет определять их состав и структуру.
«Джеймс Уэбб» наблюдал за системой WASP-17 почти 10 часов, осуществив более 1 270 измерений яркости среднего инфракрасного света с длиной волны от 5 до 12 микрон, когда планета пересекала свою звезду. Вычитая яркость отдельных длин волн света, достигших телескопа, когда планета находилась перед звездой, из яркости самой звезды, команда смогла вычислить количество каждой длины волны, блокируемой атмосферой планеты.
И тут возникла неожиданная «выпуклость» размером 8,6 микрона — особенность, которую нельзя было бы ожидать, если бы облака состояли из силикатов магния или других возможных высокотемпературных аэрозолей, таких как оксид алюминия, но которая имеет смысл, если они состоят из кварца.
Кристаллы, облака и ветры
Хотя эти кристаллы, вероятно, по форме похожи на заостренные шестиугольные призмы, которые можно найти в жеодах и магазинах драгоценных камней на Земле, каждый из них имеет диаметр всего около 10 нанометров – одну миллионную долю сантиметра.
«Данные Хаббла на самом деле сыграли ключевую роль в ограничении размера этих частиц, — объяснила соавтор исследования Николь Льюис из Корнелльского университета, возглавляющая программу «Джеймса Уэбба», призванную помочь построить трехмерное изображение атмосферы WASP-17 b. — По данным Уэбба [телескопа «Джеймс Уэбб»] мы знаем, что в атмосфере присутствует кремнезем, но нам нужны были видимые и ближние инфракрасные наблюдения Хаббла для контекста, чтобы выяснить, насколько велики кристаллы».
В отличие от минеральных частиц, обнаруженных в облаках на Земле, кристаллы кварца, обнаруженные в облаках WASP-17 b, не поднимаются с каменистой поверхности. Вместо этого они формируются в самой атмосфере.
WASP-17 b — чрезвычайно горячий мир со средней температурой около 1 500 градусов Цельсия. Вкупе с небольшим давлением в верхних слоях атмосферы (одна тысячная от того, что мы испытываем на поверхности Земли) твердые кристаллы могут образовываться непосредственно из газа, минуя жидкую фазу.
Понимание того, из чего состоят облака, имеет решающее значение для понимания планеты в целом. Горячие юпитеры, такие как WASP-17 b, состоят в основном из водорода и гелия с небольшим количеством других газов, таких как водяной пар (Н2О) и углекислый газ (CO2).
«Если мы будем учитывать только кислород, который содержится в этих газах, и пренебрегать включением всего кислорода, заключенного в минералах, таких как кварц, то мы значительно недооценим его общее содержание, — пояснила Уэйкфорд. — Эти красивые кристаллы кремнезема рассказывают нам о наличии различных материалов и о том, как все они собираются, формируя окружающую среду этой планеты».
В настоящее время трудно определить, сколько именно там кварца и насколько распространены облака. Возможно, облака присутствуют лишь вдоль границы между днем и ночью (терминатора), областью, которую исследовали с помощью «Джеймса Уэбба». Экзопланета WASP-17 b приливно-отливно привязана к своей родительской звезде, а значит на одной ее стороне всегда жаркий день, а на другой — относительно холодная ночь. Облака, возможно, циркулируют вокруг планеты, но испаряются, когда достигают более горячей дневной стороны. Ветры перемещают крошечные частицы со скоростью тысячи километров в час, направляя их на ночную сторону, где они конденсируются и начинают формировать облака, которые достигают своей временно стабильной фазы на границе между днем и ночью.
