У високих хмарах "роздутого" гарячого Юпітера вчені вперше засікли нанокристали кремнезему-одного з найпоширеніших мінералів на Землі.

Атмосфера гарячого газового гіганта WASP – 17b в уяві художника / © NASA, ESA, CSA, and R. Crawford (STScI)

Аерозолі — будь то хмари з рідких частинок або серпанок з твердих частинок – один з фундаментальних компонентів атмосфер екзопланет. Ці частинки заглушають, відбивають і розсіюють світло зірки і тим вносять великий внесок у весь енергетичний баланс космічного тіла, а також хімію і динаміку його атмосфери.

Астрономи бачать наявність хмар або серпанку за змінами світла зірки, коли екзопланета пролітає на її тлі. Але визначити точний склад цих аерозолів – більш складне завдання. Разом з тим воно дуже цікаве, тому що аерозолі багато говорять про саму планету: в аерозолях земної атмосфери, наприклад, є алюміній і літій, що залишаються від наслідків пусків космічної техніки. Тому поки що кожне відкриття нового з’єднання в атмосфері екзопланети привертає увагу.

Тепер вперше в атмосфері екзопланети астрономи побачили нанокристали кремнезему. Все завдяки роботі інструменту MIRI космічної обсерваторії “Джеймс Вебб”. Результати дослідження опубліковані в Astrophysical Journal Letters.

Об’єктом спостережень стала екзопланета WASP-17b, Гарячий Юпітер в 1300 світлових роках від Землі. За масою WASP-17b в два рази менше Юпітера, зате за обсягом приблизно в сім разів більше. Це одна з найбільших і «пухких» екзопланет з-поміж відомих нам. Її орбітальний період – всього 3,7 земного дня, що значно спрощує дослідження.

Цього разу спостереження вели протягом 10 годин, поки об’єкт пролітав на тлі своєї зірки. Інструмент MIRI для спостережень в середній частині інфрачервоного діапазону зробив більше 1275 вимірювань яскравості випромінювання в діапазоні хвиль від п’яти до 12 мікронів.

Коли вчені "відняли" з цих даних чисте випромінювання зірки, вони побачили на графіку "горбок" в районі 8,6 мікрона, який найкраще пояснюється наявністю кристалів кремнезему. За розміром ці кристали дуже маленькі – всього 10 нанометрів. Діаметр людської волосини в 10 тисяч разів більше.

Склад частинок в “хмарах” WASP-17b. Фіолетовий графік — спектр, змодельований за даними «Вебба», «Хаббла» і «Спітцера». Жовтий пунктирний графік-склад “хмар”, якби в них не було кремнезему / © Nikole Lewis (Cornell University), David Grant (University of Bristol), Hannah Wakeford (University of Bristol) from The Space Telescope Science Institute

"Дані "Хаббла" зіграли ключову роль у визначенні розмірів цих частинок. Для впевненості в наявності там кремнезему нам достатньо даних MIRI, інструменту “Вебба”. Але щоб зрозуміти, наскільки великі ці кристали, нам знадобилися спостереження “Хаббла” у видимому і близькому інфрачервоному діапазонах", — розповіла співавтор роботи Ніколь Льюїс, професор астрономії і керівник дослідження зі створення тривимірної моделі атмосфери гарячого Юпітера, яке проводиться в рамках програми Webb Guaranteed Time Observations (GTO).

Силікати — мінерали, багаті кремнієм і киснем – складають значну масу Землі, Місяця та інших кам’янистих об’єктів Сонячної системи. Вони вже зустрічалися астрономам в атмосферах екзопланет і в складі коричневих карликів, але у формі багатих магнієм мінералів на кшталт олівіну і піроксену, а не чистого кремнезему.

Причому якщо в хмари Землі частинки мінералів потрапляють з поверхні планети завдяки вітру, то на гарячому Юпітері WASP-17b нанокристали кремнезему формуються у верхніх шарах самої атмосфери, в умовах високої температури, приблизно 1500 градусів Цельсія, і дуже низького тиску — однієї тисячної земного.

"У цих умовах тверді кристали можуть утворюватися безпосередньо з газу, минаючи фазу рідкого стану", — пояснив головний автор дослідження Девід Грант з Брістольського університету (Великобританія).

За словами вченого, з даних «Хаббла» вони знали, що в атмосфері WASP-17b повинні бути аерозолі, але не очікували, що в складі буде кремнезем.

"Ми очікували побачити силікати магнію, а засікли, ймовірно, їх “цеглинки” — маленькі частинки, необхідні для формування більш складних силікатів, які ми бачимо на більш прохолодних екзопланетах і коричневих карликах", — пояснила співавтор Ханна Вейкфорд з Брістольського університету.

Гарячі юпітери типу WASP-17b складаються в основному з водню і гелію з невеликими домішками водяної пари і вуглекислого газу. І якщо враховувати лише ці домішки, загальна оцінка кількості кисню на планеті виявиться сильно заниженою. Втім, і зараз оцінити обсяг кремнезему в хмарах WASP-17b не вдасться, тому що в рамках цього дослідження інструмент MIRI спостерігав лише околиці Термінатора — лінії між денною і нічною стороною екзопланети.