Những mảnh “tuyết” silica lấp đầy bầu trời của ngoại hành tinh siêu nóng và sưng húp WASP-17 b.

Nhìn vào một trong những khoáng chất phổ biến và quen thuộc nhất trên Trái đất hiếm khi xứng đáng được đưa lên tiêu đề. Thạch anh được tìm thấy trong cát bãi biển, đá xây dựng, tinh hốc và các cửa hàng đá quý trên khắp thế giới. Nó được nấu chảy để sản xuất thủy tinh, tinh chế để tạo ra các vi mạch silicon và được sử dụng trong đồng hồ để đo thời gian.

Vậy khám phá mới nhất có gì khác biệt? NASA‘S Kính viễn vọng Không gian James Webb? Hãy tưởng tượng các tinh thể thạch anh xuất hiện từ không khí mỏng theo đúng nghĩa đen. Một làn sương mù lấp lánh nhỏ đến mức 10.000 hạt có thể nằm cạnh nhau trên một sợi tóc người. Những đám hạt nano thủy tinh nhọn chạy đua trong bầu không khí nóng bỏng của một khối khí khổng lồ ngoại hành tinh Với tốc độ hàng ngàn dặm một giờ.

Khả năng độc đáo của Webb trong việc đo lường những tác động cực kỳ tinh tế của những tinh thể đó lên ánh sáng sao – và ít nhất là từ khoảng cách hơn bảy triệu tỷ dặm – cung cấp thông tin quan trọng về thành phần của khí quyển ngoại hành tinh và những hiểu biết mới về thời tiết của chúng.

Phổ truyền qua của ngoại hành tinh khí nóng khổng lồ WASP-17 b, được MIRI (Thiết bị hồng ngoại giữa Webb) chụp vào ngày 12-13 tháng 3 năm 2023, tiết lộ bằng chứng đầu tiên về thạch anh (tinh thể silic, SiO2) trong các đám mây của ngoại hành tinh. .
Quang phổ được tạo ra bằng cách đo sự thay đổi độ sáng của 28 dải bước sóng của ánh sáng hồng ngoại trung bình khi hành tinh đi qua ngôi sao của nó. Webb đã quan sát hệ thống WASP-17 bằng máy quang phổ MIRI có độ phân giải thấp trong khoảng 10 giờ, thu thập hơn 1.275 phép đo trước, trong và sau quá trình vận chuyển.
Đối với mỗi bước sóng, lượng ánh sáng bị chặn bởi bầu khí quyển của hành tinh (vòng tròn màu trắng) được tính bằng cách trừ đi lượng ánh sáng truyền qua khí quyển khỏi lượng phát ra ban đầu của ngôi sao.
Đường liền màu tím là mô hình phù hợp nhất với dữ liệu Webb (MIRI), Hubble và Spitzer. (Dữ liệu của Hubble và Spitzer bao gồm các bước sóng từ 0,34 đến 4,5 micron và không được hiển thị trên biểu đồ.) Quang phổ cho thấy một đặc điểm rõ ràng ở khoảng 8,6 micron, mà các nhà thiên văn học tin là do các hạt silica hấp thụ một phần ánh sáng sao truyền qua khí quyển gây ra .
Đường đứt nét màu vàng cho thấy phần phổ truyền này sẽ trông như thế nào nếu các đám mây trong bầu khí quyển của WASP-17 b không chứa SiO2.
Đây là lần đầu tiên SiO2 được xác định trong một ngoại hành tinh và là lần đầu tiên bất kỳ loại đám mây cụ thể nào được xác định trong một ngoại hành tinh đi ngang qua.
Nguồn hình ảnh: NASA, ESA, CSA, Ralph Crawford (STScI), David Grant (Đại học Bristol), Hannah R. Wakeford (Đại học Bristol), Nicole Lewis (Đại học Cornell)

Kính viễn vọng Không gian Webb phát hiện các tinh thể thạch anh nhỏ trong các đám mây khí nóng khổng lồ

Các nhà nghiên cứu sử dụng Kính viễn vọng Không gian James Webb của NASA đã phát hiện ra bằng chứng về các tinh thể nano thạch anh trong các đám mây ở độ cao lớn của WASP-17 b, một hành tinh nóng. sao Mộc Một ngoại hành tinh cách Trái đất 1.300 năm ánh sáng. Khám phá này, có thể thực hiện được bằng cách sử dụng MIRI (thiết bị hồng ngoại giữa của Webb), đánh dấu lần đầu tiên silica (SiO) được phát hiện.₂) Các hạt đã được phát hiện trong bầu khí quyển của một ngoại hành tinh.

“Chúng tôi rất vui mừng!” David Grant, nhà nghiên cứu tại… Đại học Bristol Ở Anh và là tác giả đầu tiên của một bài báo được xuất bản ngày hôm nay (16 tháng 10) trên tạp chí Thư tạp chí vật lý thiên văn. “Qua quan sát của Hubble, chúng tôi biết rằng các sol khí – những hạt nhỏ tạo thành mây hoặc sương mù – phải có trong bầu khí quyển của WASP-17 b, nhưng chúng tôi không mong đợi chúng được làm từ thạch anh.”

Silicat (khoáng chất giàu silicon và oxy) chiếm phần lớn Trái đất và Mặt trăng cũng như các vật thể đá khác trong hệ mặt trời của chúng ta và cực kỳ phổ biến trên khắp thiên hà. Nhưng các hạt silicat được phát hiện trước đây trong khí quyển của các ngoại hành tinh và sao lùn nâu dường như được tạo thành từ các silicat giàu magie như olivin và pyroxene, chứ không phải chỉ có thạch anh – vốn là SiO nguyên chất.₂.

Phát hiện của nhóm này, bao gồm cả các nhà nghiên cứu từ Trung tâm nghiên cứu Ames của NASA và Trung tâm bay không gian Goddard của NASA, đã tạo ra một bước ngoặt mới trong hiểu biết của chúng ta về cách các đám mây ngoại hành tinh hình thành và phát triển. Đồng tác giả Hannah Wakeford, cũng đến từ Đại học Bristol, cho biết: “Chúng tôi hoàn toàn mong đợi được nhìn thấy magie silicat”. “Nhưng thay vào đó, những gì chúng ta nhìn thấy có thể là khối xây dựng của những hạt đó, những hạt ‘hạt giống’ nhỏ bé cần thiết để tạo thành những hạt silicat lớn hơn mà chúng ta phát hiện được ở các ngoại hành tinh lạnh và các sao lùn nâu.”

Khám phá những khác biệt tinh tế

Với thể tích lớn hơn bảy lần kích thước Sao Mộc và khối lượng nhỏ hơn một nửa Sao Mộc, WASP-17 b là một trong những ngoại hành tinh lớn nhất và cồng kềnh nhất được biết đến. Điều này, kết hợp với chu kỳ quỹ đạo ngắn chỉ 3,7 ngày Trái đất, khiến hành tinh này trở nên lý tưởng cho quang phổ truyền qua: một kỹ thuật liên quan đến việc đo hiệu ứng lọc và tán xạ của bầu khí quyển hành tinh lên ánh sáng sao.

Webb đã theo dõi hệ thống WASP-17 trong khoảng 10 giờ, thu thập hơn 1.275 phép đo độ sáng của ánh sáng hồng ngoại trung bình từ 5 đến 12 micron khi hành tinh này di chuyển qua ngôi sao của nó. Bằng cách trừ đi độ sáng của từng bước sóng ánh sáng tới kính viễn vọng khi hành tinh ở phía trước ngôi sao so với độ sáng của riêng ngôi sao, nhóm nghiên cứu có thể tính toán được bao nhiêu bước sóng bị chặn bởi bầu khí quyển của hành tinh.

Thứ nổi lên là một “vết sưng” bất ngờ ở kích thước 8,6 micron, một đặc điểm sẽ không được mong đợi nếu các đám mây được tạo thành từ magie silicat hoặc các sol khí có nhiệt độ cao khác như nhôm oxit, nhưng lại hoàn toàn hợp lý nếu chúng được làm từ thạch anh. .

Tinh thể, mây và gió

Mặc dù những tinh thể này có thể có hình dạng tương tự như các lăng kính lục giác nhọn được tìm thấy trong các tinh hốc và cửa hàng đá quý trên Trái đất, nhưng mỗi tinh thể chỉ có chiều ngang khoảng 10 nanomet – một phần triệu cm.

Đồng tác giả Nicole Lewis từ Đại học Cornell, người đứng đầu chương trình Web Quan sát Thời gian Đảm bảo (GTO) được thiết kế để giúp xây dựng chế độ xem 3D về các hành tinh nóng, giải thích: “Dữ liệu Hubble thực sự đóng một vai trò quan trọng trong việc xác định kích thước của các hạt này”. Bầu khí quyển của sao Mộc. “Chúng tôi biết về sự hiện diện của silica chỉ từ dữ liệu MIRI của Webb, nhưng chúng tôi cần các quan sát nhìn thấy được và cận hồng ngoại từ Hubble để biết bối cảnh, để biết các tinh thể lớn như thế nào.”

Không giống như các hạt khoáng chất được tìm thấy trong các đám mây trên Trái đất, các tinh thể thạch anh được phát hiện trong các đám mây của WASP-17 b không được phục hồi từ bề mặt đá. Thay vào đó, chúng bắt nguồn từ chính bầu khí quyển. “WASP-17 b cực kỳ nóng – khoảng 2.700 độ F (1500 độ độ C) – Áp suất nơi các tinh thể thạch anh hình thành cao trong khí quyển không vượt quá khoảng một phần nghìn áp suất mà chúng ta trải qua trên bề mặt Trái đất. “Trong những điều kiện này, các tinh thể rắn có thể hình thành trực tiếp từ khí mà không cần trải qua pha lỏng trước.”

Hiểu được các thành phần của đám mây là rất quan trọng để hiểu được toàn bộ hành tinh. Các Sao Mộc nóng như WASP-17 b có thành phần chủ yếu là hydro và heli, cùng một lượng nhỏ các loại khí khác như hơi nước (H).₂O) và khí cacbonic (CO₂). “Nếu chúng ta chỉ xem xét lượng oxy chứa trong các khí này mà bỏ qua tất cả lượng oxy bị giữ lại trong các khoáng chất như thạch anh (SiO),₂Chúng tôi sẽ giảm đáng kể sự phong phú tổng thể,” Wakeford giải thích. “Những tinh thể silica tuyệt đẹp này cho chúng ta biết về kho nguyên liệu khác nhau và cách chúng kết hợp với nhau để định hình môi trường của hành tinh này.”

Thật khó để xác định chính xác có bao nhiêu thạch anh hiện diện và mức độ lan rộng của các đám mây. Grant cho biết: “Các đám mây có thể xuất hiện dọc theo quá trình chuyển đổi giữa ngày và đêm, đó là khu vực mà các quan sát của chúng tôi đang khám phá”. Bởi vì hành tinh này bị khóa thủy triều với ban ngày rất nóng và ban đêm mát mẻ hơn, các đám mây có thể quay quanh hành tinh nhưng bốc hơi khi chúng đến vùng ban ngày nóng hơn. “Gió có thể di chuyển những hạt thủy tinh nhỏ bé này với tốc độ hàng ngàn dặm một giờ.”

WASP-17 b là một trong ba hành tinh được nhóm các nhà khoa học JWST nhắm đến để Trinh sát sâu bầu khí quyển ngoại hành tinh bằng cách sử dụng các đầu dò Quang phổ đa công cụ có độ phân giải (DREAMS), được thiết kế để thu thập một tập hợp quan sát toàn diện của một đại diện từ mỗi hành tinh chính lớp ngoại hành tinh. : Sao Mộc nóng, ấm sao Hải vươngVà một hành tinh đá vừa phải. Các quan sát MIRI về sao Mộc nóng WASP-17 b được thực hiện như một phần của chương trình GTO 1353.

Tham khảo: “Giấc mơ JWST-TST: Đám mây thạch anh trong bầu khí quyển của WASP-17b” của 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 và Laura L. Watkins, ngày 16 tháng 10 năm 2023, Thư tạp chí vật lý thiên văn.
doi: 10.3847/2041-8213/acfc3b

Kính viễn vọng Không gian James Webb là đài quan sát khoa học vũ trụ hàng đầu thế giới. Webb giải quyết những bí ẩn trong hệ mặt trời của chúng ta, nhìn xa hơn các thế giới xa xôi xung quanh các ngôi sao khác và khám phá cấu trúc cũng như nguồn gốc bí ẩn của vũ trụ cũng như vị trí của chúng ta trong đó. WEB là một chương trình quốc tế do NASA dẫn đầu cùng với các đối tác là Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA).Cơ quan Vũ trụ Châu Âu) và Cơ quan Vũ trụ Canada.