Quarzeis umhüllt die feurige Atmosphäre des heißen Exoplaneten Jupiter

Das Konzept dieses Künstlers zeigt, wie der Exoplanet WASP-17 b aussehen könnte. WASP-17 b, auch bekannt als Ditsö̀, ist ein Riese aus heißem Gas, der seinen Stern in einer Entfernung von nur 0,051 AE (ungefähr 4,75 Millionen Meilen oder ein Achtel der Entfernung zwischen Merkur und der Sonne) umkreist und dabei einen vollständigen Umlauf zurücklegt etwa 3,7 Erdentage. Das System befindet sich innerhalb der Milchstraße, etwa 1.300 Lichtjahre von der Erde entfernt, im Sternbild Skorpion. Mit einem Volumen, das mehr als siebenmal so groß wie Jupiter ist, und einer Masse, die weniger als halb so groß ist wie die von Jupiter, ist WASP-17 b ein extrem aufgeblähter Planet. Seine kurze Umlaufzeit, seine große Größe und seine dichte, ausgedehnte Atmosphäre machen ihn ideal für die Beobachtung mittels Transmissionsspektroskopie, bei der die Auswirkungen der Atmosphäre eines Planeten auf das durch ihn gefilterte Sternenlicht gemessen werden. Bildquelle: NASA, ESA, CSA, Ralph Crawford (STScI)

Flocken aus Quarzschnee füllen den Himmel des überhitzten, aufgeblähten Exoplaneten WASP-17 b.

Ein Blick auf eines der häufigsten und bekanntesten Mineralien der Erde verdient selten eine Schlagzeile. Quarz kommt in Strandsand, Bausteinen, Geoden und Edelsteingeschäften auf der ganzen Welt vor. Es wird zu Glas geschmolzen, zu Silizium-Mikrochips veredelt und in Uhren verwendet, um die Zeit anzuzeigen.

Was zeichnet die neueste Entdeckung aus? NASA‚S James Webb-Weltraumteleskop? Stellen Sie sich Quarzkristalle vor, die buchstäblich aus dem Nichts auftauchen. Ein Nebel aus schimmernden Körnern, die so klein sind, dass 10.000 davon nebeneinander in ein menschliches Haar passen würden. Schwärme spitzer Glasnanopartikel rasen durch die heiße Atmosphäre eines aufgeblähten Gasriesen Exoplanet Mit Tausenden von Meilen pro Stunde.

Webbs einzigartige Fähigkeit, die äußerst subtilen Auswirkungen dieser Kristalle auf das Sternenlicht zu messen – und das zumindest aus einer Entfernung von mehr als sieben Millionen Milliarden Meilen – liefert wichtige Informationen über die Zusammensetzung exoplanetarer Atmosphären und neue Einblicke in ihr Wetter.

Das Transmissionsspektrum des heißen Gasriesen-Exoplaneten WASP-17 b, aufgenommen von MIRI (Webb Mid-Infrared Instrument) am 12. und 13. März 2023, zeigt den ersten Hinweis auf Quarz (kristallines Siliziumdioxid, SiO2) in den Wolken des Exoplaneten. Solar .
Das Spektrum wurde durch Messung der Helligkeitsänderung von 28 Wellenlängenbändern des Lichts im mittleren Infrarotbereich erstellt, wenn der Planet seinen Stern passiert. Webb beobachtete das WASP-17-System etwa zehn Stunden lang mit einem MIRI-Spektrometer mit niedriger Auflösung und sammelte dabei mehr als 1.275 Messungen vor, während und nach dem Transit.
Für jede Wellenlänge wurde die Lichtmenge, die von der Atmosphäre des Planeten blockiert wurde (weiße Kreise), berechnet, indem die Menge, die durch die Atmosphäre gelangte, von der ursprünglich vom Stern emittierten Menge abgezogen wurde.
Die durchgezogene violette Linie ist das Modell, das am besten zu den Daten von Webb (MIRI), Hubble und Spitzer passt. (Die Hubble- und Spitzer-Daten decken Wellenlängen von 0,34 bis 4,5 Mikrometern ab und sind in der Grafik nicht dargestellt.) Das Spektrum zeigt ein deutliches Merkmal bei etwa 8,6 Mikrometern, das nach Ansicht der Astronomen durch Silikatpartikel verursacht wird, die einen Teil des durch die Atmosphäre wandernden Sternenlichts absorbieren .
Die gelbe gestrichelte Linie zeigt, wie dieser Teil des Transmissionsspektrums aussehen würde, wenn die Wolken in der Atmosphäre von WASP-17 b kein SiO2 enthalten würden.
Dies ist das erste Mal, dass SiO2 auf einem Exoplaneten identifiziert wurde, und das erste Mal, dass eine bestimmte Art von Wolke auf einem vorbeiziehenden Exoplaneten identifiziert wurde.
Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, Ralph Crawford (STScI), David Grant (Universität Bristol), Hannah R. Wakeford (Universität Bristol), Nicole Lewis (Cornell University)

Das Webb-Weltraumteleskop entdeckt winzige Quarzkristalle in riesigen heißen Gaswolken

Forscher mit dem James Webb-Weltraumteleskop der NASA haben Hinweise auf Quarz-Nanokristalle in den hochgelegenen Wolken von WASP-17 b, einem heißen Planeten, entdeckt. der Jupiter Ein Exoplanet, 1.300 Lichtjahre von der Erde entfernt. Diese Entdeckung, die nur mit MIRI (Webbs Mittelinfrarot-Instrument) möglich war, stellt den ersten Nachweis von Siliziumdioxid (SiO) dar.₂) Partikel wurden in der Atmosphäre eines Exoplaneten nachgewiesen.

„Wir waren begeistert!“ David Grant, ein Forscher an… Universität Bristol Im Vereinigten Königreich und Erstautor eines Artikels, der heute (16. Oktober) in veröffentlicht wurde Astrophysikalische Tagebuchbriefe. „Aus Hubble-Beobachtungen wussten wir, dass Aerosole – kleine Partikel, die Wolken oder Nebel bilden – in der Atmosphäre von WASP-17 b vorhanden sein müssen, aber wir haben nicht erwartet, dass sie aus Quarz bestehen.“

Silikate (Silizium- und Sauerstoffreiche Mineralien) machen den Großteil der Erde und des Mondes sowie anderer Gesteinskörper in unserem Sonnensystem aus und kommen in der gesamten Galaxie äußerst häufig vor. Aber Silikatkörner, die zuvor in der Atmosphäre von Exoplaneten und Braunen Zwergen entdeckt wurden, scheinen aus Magnesium-reichen Silikaten wie Olivin und Pyroxen zu bestehen, nicht nur aus Quarz – also reinem SiO.₂.

Die Entdeckung dieses Teams, zu dem auch Forscher des NASA Ames Research Center und des NASA Goddard Space Flight Center gehören, verleiht unserem Verständnis der Entstehung und Entwicklung exoplanetarer Wolken eine neue Dimension. „Wir hatten voll und ganz damit gerechnet, Magnesiumsilikat zu sehen“, sagte Co-Autorin Hannah Wakeford, ebenfalls von der University of Bristol. „Aber was wir stattdessen sehen, sind wahrscheinlich die Bausteine ​​dieser Partikel, die winzigen ‚Keimpartikel‘, die zur Bildung der größeren Silikatkörner benötigt werden, die wir in kalten Exoplaneten und Braunen Zwergen entdecken.“

Entdecken Sie die subtilen Unterschiede

Mit einem Volumen, das mehr als siebenmal so groß wie Jupiter ist, und einer Masse, die weniger als halb so groß ist wie die von Jupiter, ist WASP-17 b einer der größten und am stärksten aufgeblähten bekannten Exoplaneten. Dies und seine kurze Umlaufzeit von nur 3,7 Erdentagen machen den Planeten ideal für die Transmissionsspektroskopie: eine Technik, bei der die Filter- und Streueffekte der Planetenatmosphäre auf das Sternenlicht gemessen werden.

Webb überwachte das WASP-17-System etwa zehn Stunden lang und sammelte mehr als 1.275 Messungen der Helligkeit von 5 bis 12 Mikrometer Licht im mittleren Infrarotbereich, während der Planet seinen Stern passierte. Durch Subtrahieren der Helligkeit der einzelnen Lichtwellenlängen, die das Teleskop erreichten, als sich der Planet vor dem Stern befand, von der Helligkeit des Sterns allein konnte das Team berechnen, wie viel von jeder Wellenlänge von der Atmosphäre des Planeten blockiert wurde.

Was dabei herauskam, war eine unerwartete „Beule“ bei 8,6 Mikrometern, ein Merkmal, das nicht zu erwarten gewesen wäre, wenn die Wolken aus Magnesiumsilikat oder anderen möglicherweise Hochtemperatur-Aerosolen wie Aluminiumoxid bestünden, aber durchaus Sinn ergibt, wenn sie aus Quarz bestünden .

Kristalle, Wolken und Wind

Während diese Kristalle in ihrer Form den spitzen sechseckigen Prismen ähneln, die in Geoden und Edelsteingeschäften auf der Erde zu finden sind, ist jeder von ihnen nur etwa 10 Nanometer groß – ein Millionstel Zentimeter.

„Die Hubble-Daten spielten tatsächlich eine Schlüsselrolle bei der Bestimmung der Größe dieser Teilchen“, erklärte Co-Autorin Nicole Lewis von der Cornell University, die das Webprogramm „Guaranteed Time Observation“ (GTO) leitet, das dabei helfen soll, eine 3D-Ansicht heißer Planeten zu erstellen. Jupiters Atmosphäre. „Wir wissen allein aus den MIRI-Daten von Webb über das Vorhandensein von Kieselsäure Bescheid, aber wir brauchten Beobachtungen im sichtbaren und nahen Infrarotbereich von Hubble für den Kontext, um zu wissen, wie groß die Kristalle sind.“

Anders als in Wolken auf der Erde gefundene Mineralpartikel wurden die in den Wolken von WASP-17 b entdeckten Quarzkristalle nicht von einer felsigen Oberfläche geborgen. Stattdessen entstehen sie in der Atmosphäre selbst. „WASP-17 b ist extrem heiß – etwa 2.700 Grad F (1500 Grad Celsius) – Der Druck, bei dem sich Quarzkristalle hoch in der Atmosphäre bilden, übersteigt nicht etwa ein Tausendstel dessen, was wir auf der Erdoberfläche erleben. „Unter diesen Bedingungen können sich feste Kristalle direkt aus dem Gas bilden, ohne zuvor eine flüssige Phase zu durchlaufen.“

Das Verständnis der Wolkenbestandteile ist entscheidend für das Verständnis des Planeten als Ganzes. Heiße Jupiter wie WASP-17 b bestehen hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium sowie geringen Mengen anderer Gase wie Wasserdampf (H).₂O) und Kohlendioxid (CO₂). „Wenn wir nur den in diesen Gasen enthaltenen Sauerstoff berücksichtigen und den gesamten in Mineralien wie Quarz (SiO) eingeschlossenen Sauerstoff außer Acht lassen,₂Wir werden die Gesamtfülle drastisch reduzieren“, erklärte Wakeford. „Diese wunderschönen Quarzkristalle verraten uns, wie viele verschiedene Materialien vorhanden sind und wie sie alle zusammenwirken, um die Umwelt dieses Planeten zu formen.“

Es ist schwierig, genau zu bestimmen, wie viel Quarz vorhanden ist und wie weit verbreitet die Wolken sind. „Die Wolken sind wahrscheinlich entlang des Übergangs zwischen Tag und Nacht vorhanden, dem Bereich, den unsere Beobachtungen erforschen“, sagte Grant. Da der Planet gezeitenabhängig ist und eine sehr heiße Tagseite und eine kühlere Nachtseite aufweist, umkreisen wahrscheinlich Wolken den Planeten, verdampfen jedoch, wenn sie die heißere Tagseite erreichen. „Der Wind kann diese winzigen Glaspartikel mit Tausenden von Meilen pro Stunde bewegen.“

WASP-17 b ist einer von drei Planeten, die das JWST-Wissenschaftlerteam zur Tiefenaufklärung exoplanetarer Atmosphären mithilfe von DREAMS-Sonden (Resolution Multi-Instrument Spectroscopy) anvisiert Klasse der Exoplaneten. : Jupiter ist heiß, warm NeptunUnd ein gemäßigter Gesteinsplanet. MIRI-Beobachtungen des heißen Jupiter WASP-17 b wurden im Rahmen des GTO 1353-Programms durchgeführt.

Referenz: „JWST-TST Dreams: Quartz Clouds in the Atmosphere of WASP-17b“ von 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 K. W. 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 und Laura L. Watkins, 16. Oktober 2023, Astrophysikalische Tagebuchbriefe.
doi: 10.3847/2041-8213/acfc3b

Das James-Webb-Weltraumteleskop ist das weltweit führende Weltraumobservatorium. Webb löst die Geheimnisse unseres Sonnensystems, blickt über die fernen Welten um andere Sterne hinaus und erforscht die mysteriösen Strukturen und Ursprünge unseres Universums und unseren Platz darin. WEB ist ein internationales Programm, das von der NASA und ihren Partnern, der Europäischen Weltraumorganisation (ESA), geleitet wird.Europäische Weltraumorganisation) und die Canadian Space Agency.