Gelo de sílica envolve a atmosfera ardente do exoplaneta quente Júpiter

Flocos de “neve” de sílica preenchem o céu do exoplaneta superaquecido e inchado WASP-17 b.

Uma olhada em um dos minerais mais comuns e familiares da Terra raramente merece manchete. O quartzo é encontrado na areia da praia, pedras de construção, geodos e lojas de joias em todo o mundo. É derretido para produzir vidro, refinado para microchips de silício e usado em relógios para marcar as horas.

Então, o que distingue a última descoberta? NASAde Telescópio Espacial James Webb? Imagine cristais de quartzo aparecendo literalmente do nada. Uma névoa de grãos brilhantes tão pequenos que 10 mil deles caberiam lado a lado em um fio de cabelo humano. Enxames de nanopartículas de vidro pontiagudas correm pela atmosfera quente de um gigante gasoso inchado Exoplaneta A milhares de quilômetros por hora.

A capacidade única de Webb de medir os efeitos extremamente subtis destes cristais na luz das estrelas — e a uma distância de mais de 11 milhões de milhares de milhões de quilómetros, pelo menos — fornece informações importantes sobre a composição das atmosferas exoplanetárias e novas informações sobre o seu clima.

O espectro de transmissão do exoplaneta gigante de gás quente WASP-17 b, capturado pelo MIRI (Webb Mid-Infrared Instrument) de 12 a 13 de março de 2023, revela a primeira evidência de quartzo (sílica cristalina, SiO2) nas nuvens do exoplaneta. .
O espectro foi feito medindo a mudança no brilho de 28 bandas de comprimento de onda da luz infravermelha média à medida que o planeta passa pela sua estrela. Webb observou o sistema WASP-17 usando um espectrômetro MIRI de baixa resolução por cerca de 10 horas, coletando mais de 1.275 medições antes, durante e depois do trânsito.
Para cada comprimento de onda, a quantidade de luz bloqueada pela atmosfera do planeta (círculos brancos) foi calculada subtraindo a quantidade que passou pela atmosfera da quantidade originalmente emitida pela estrela.
A linha roxa sólida é o modelo que melhor se ajusta aos dados do Webb (MIRI), Hubble e Spitzer. (Os dados do Hubble e do Spitzer cobrem comprimentos de onda de 0,34 a 4,5 mícrons e não são mostrados no gráfico.) O espectro mostra uma característica clara em cerca de 8,6 mícrons, que os astrônomos acreditam ser causada por partículas de sílica que absorvem parte da luz das estrelas que passam pela atmosfera. .
A linha tracejada amarela mostra como seria esta parte do espectro de transmissão se as nuvens na atmosfera de WASP-17 b não contivessem SiO2.
Esta é a primeira vez que SiO2 foi identificado num exoplaneta, e a primeira vez que qualquer tipo específico de nuvem foi identificado num exoplaneta de passagem.
Crédito da imagem: NASA, ESA, CSA, Ralph Crawford (STScI), David Grant (Universidade de Bristol), Hannah R. Wakeford (Universidade de Bristol), Nicole Lewis (Universidade Cornell)

O Telescópio Espacial Webb detecta minúsculos cristais de quartzo em gigantescas nuvens de gás quente

Pesquisadores usando o Telescópio Espacial James Webb da NASA descobriram evidências de nanocristais de quartzo nas nuvens de alta altitude de WASP-17 b, um planeta quente. Júpiter Um exoplaneta a 1.300 anos-luz da Terra. Esta descoberta, que foi possível exclusivamente usando o MIRI (instrumento de infravermelho médio de Webb), representa a primeira vez que a sílica (SiO) foi detectada.₂) Partículas foram detectadas na atmosfera de um exoplaneta.

“Ficamos emocionados!” David Grant, pesquisador da… Universidade de Bristol No Reino Unido e primeiro autor de um artigo publicado hoje (16 de outubro) em Cartas de diários astrofísicos. “Sabíamos, pelas observações do Hubble, que aerossóis – pequenas partículas que formam nuvens ou neblina – deveriam estar presentes na atmosfera de WASP-17 b, mas não esperávamos que fossem feitos de quartzo.”

Os silicatos (minerais ricos em silício e oxigênio) constituem a maior parte da Terra e da Lua, bem como outros corpos rochosos do nosso sistema solar, e são extremamente comuns em toda a galáxia. Mas os grãos de silicato previamente detectados nas atmosferas de exoplanetas e anãs marrons parecem ser feitos de silicatos ricos em magnésio, como olivina e piroxênio, e não apenas quartzo – que é SiO puro.₂.

A descoberta desta equipa, que também inclui investigadores do Centro de Investigação Ames da NASA e do Centro de Voo Espacial Goddard da NASA, dá um novo rumo à nossa compreensão de como as nuvens exoplanetárias se formam e evoluem. “Esperávamos ver silicato de magnésio”, disse a coautora Hannah Wakeford, também da Universidade de Bristol. “Mas o que vemos são provavelmente os blocos de construção dessas partículas, as minúsculas partículas de ‘semente’ necessárias para formar os grãos maiores de silicato que detectamos em exoplanetas frios e anãs marrons.”

Descubra as diferenças sutis

Com um volume mais de sete vezes o tamanho de Júpiter e uma massa inferior a metade da de Júpiter, WASP-17 b é um dos maiores e mais inchados exoplanetas conhecidos. Isto, combinado com o seu curto período orbital de apenas 3,7 dias terrestres, torna o planeta ideal para espectroscopia de transmissão: uma técnica que envolve a medição dos efeitos de filtragem e dispersão da atmosfera de um planeta na luz estelar.

Webb monitorizou o sistema WASP-17 durante cerca de 10 horas, recolhendo mais de 1.275 medições do brilho da luz infravermelha média de 5 a 12 mícrons enquanto o planeta transitava pela sua estrela. Ao subtrair o brilho dos comprimentos de onda individuais da luz que atingiu o telescópio quando o planeta estava na frente da estrela apenas do brilho da estrela, a equipe foi capaz de calcular quanto de cada comprimento de onda foi bloqueado pela atmosfera do planeta.

O que surgiu foi um “saliência” inesperada de 8,6 mícrons, uma característica que não seria esperada se as nuvens fossem feitas de silicato de magnésio ou outros aerossóis potencialmente de alta temperatura, como óxido de alumínio, mas que faria todo o sentido se fossem feitas de quartzo. .

Cristais, nuvens e vento

Embora estes cristais possam ter uma forma semelhante aos prismas hexagonais pontiagudos encontrados em geodos e lojas de pedras preciosas na Terra, cada um deles tem apenas cerca de 10 nanómetros de diâmetro – um milionésimo de centímetro.

“Os dados do Hubble desempenharam, na verdade, um papel fundamental na determinação do tamanho destas partículas”, explicou a coautora Nicole Lewis, da Universidade Cornell, que lidera o programa Web de Observação de Tempo Garantido (GTO), concebido para ajudar a construir uma visão 3D de planetas quentes. Atmosfera de Júpiter. “Sabemos da presença de sílica apenas a partir dos dados MIRI de Webb, mas precisávamos de observações no visível e no infravermelho próximo do Hubble para contextualizar, para saber o tamanho dos cristais.”

Ao contrário das partículas minerais encontradas nas nuvens da Terra, os cristais de quartzo detectados nas nuvens do WASP-17 b não foram recuperados de uma superfície rochosa. Em vez disso, eles se originam na própria atmosfera. “WASP-17 b é extremamente quente – cerca de 2.700 graus F (1500 graus Celsius) – A pressão onde os cristais de quartzo se formam no alto da atmosfera não excede cerca de um milésimo daquela que experimentamos na superfície da Terra. “Sob essas condições, cristais sólidos podem se formar diretamente a partir do gás, sem passar primeiro pela fase líquida.”

Compreender os componentes das nuvens é crucial para compreender o planeta como um todo. Júpiteres quentes como WASP-17 b são compostos principalmente de hidrogênio e hélio, com pequenas quantidades de outros gases, como vapor de água (H).₂O) e dióxido de carbono (CO₂). “Se considerarmos apenas o oxigênio contido nesses gases e negligenciarmos a inclusão de todo o oxigênio preso em minerais como o quartzo (SiO),₂Reduziremos drasticamente a abundância geral”, explicou Wakeford. “Esses lindos cristais de sílica nos contam sobre o estoque de diferentes materiais e como todos eles se unem para moldar o meio ambiente deste planeta.”

É difícil determinar exatamente quanto quartzo está presente e quão espalhadas estão as nuvens. “É provável que as nuvens estejam presentes ao longo da transição entre o dia e a noite, que é a área que as nossas observações estão a explorar”, disse Grant. Como o planeta está bloqueado pelas marés com um lado diurno muito quente e um lado noturno mais frio, as nuvens provavelmente orbitam o planeta, mas evaporam quando atingem o lado diurno mais quente. “O vento pode mover essas minúsculas partículas de vidro a milhares de quilômetros por hora.”

WASP-17 b é um dos três planetas visados ​​pela equipe de cientistas do JWST para Reconhecimento Profundo de Atmosferas Exoplanetárias usando sondas de Espectroscopia Multi-Instrumentos de Resolução (DREAMS), que são projetadas para coletar um conjunto abrangente de observações de um único representante de cada grande classe de exoplanetas. : Júpiter é quente, morno NetunoE um planeta rochoso moderado. As observações MIRI do quente Júpiter WASP-17 b foram feitas como parte do programa GTO 1353.

Referência: “JWST-TST Dreams: Quartz Clouds in the Atmosphere of WASP-17b” por David Grant, Nicole K. Lewis, Hannah R. WakefordNatasha 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 e Laura L. Watkins, 16 de outubro de 2023, Cartas de diários astrofísicos.
doi: 10.3847/2041-8213/acfc3b

O Telescópio Espacial James Webb é o principal observatório de ciências espaciais do mundo. Webb resolve os mistérios do nosso sistema solar, olha além dos mundos distantes em torno de outras estrelas e explora as misteriosas estruturas e origens do nosso universo e o nosso lugar nele. WEB é um programa internacional liderado pela NASA com os seus parceiros, a Agência Espacial Europeia (ESA).Agência Espacial Europeia) e a Agência Espacial Canadense.