«Джеймс Уэбб» увидел кристаллы кремнезема в облаках экзопланеты

Аэрозоли — будь то облака из жидких частиц или дымка из твердых частиц — один из фундаментальных компонентов атмосфер экзопланет. Эти частицы заглушают, отражают и рассеивают свет звезды и тем вносят большой вклад в весь энергетический баланс космического тела, а также химию и динамику его атмосферы.

Астрономы видят наличие облаков или дымки по изменениям света звезды, когда экзопланета пролетает на ее фоне. Но определить точный состав этих аэрозолей — более сложная задача. Вместе с тем она весьма интересна, потому что аэрозоли много говорят о самой планете: в аэрозолях земной атмосферы, к примеру, есть алюминий и литий, остающиеся от последствий пусков космической техники. Поэтому пока что каждое открытие нового соединения в атмосфере экзопланеты привлекает внимание.

Теперь впервые в атмосфере экзопланеты астрономы увидели нанокристаллы кремнезема. Все благодаря работе инструмента MIRI космической обсерватории «Джеймс Уэбб». Результаты исследования опубликованы в Astrophysical Journal Letters.

Объектом наблюдений стала экзопланета WASP-17b, горячий юпитер в 1300 световых годах от Земли. По массе WASP-17b в два раза меньше Юпитера, зато по объему примерно в семь раз больше. Это одна из крупнейших и «пухлых» экзопланет из числа известных нам. Ее орбитальный период — всего 3,7 земного дня, что значительно упрощяет исследования.

В этот раз наблюдения вели на протяжении 10 часов, пока объект пролетал на фоне своей звезды. Инструмент MIRI для наблюдений в средней части инфракрасного диапазона сделал более 1275 измерений яркости излучения в диапазоне волн от пяти до 12 микронов.

Когда ученые «вычли» из этих данных чистое излучение звезды, они увидели на графике «холмик» в районе 8,6 микрона, который лучше всего объясняется наличием кристаллов кремнезема. По размеру эти кристаллы очень маленькие — всего 10 нанометров. Диаметр человеческого волоса в 10 тысяч раз больше.

«Данные „Хаббла” сыграли ключевую роль в определении размеров этих частиц. Для уверенности в наличии там кремнезема нам достаточно данных MIRI, инструмента „Уэбба”. Но чтобы понять, насколько большие эти кристаллы, нам понадобились наблюдения „Хаббла” в видимом и близком инфракрасном диапазонах», — рассказала соавтор работы Николь Льюис, профессор астрономии и руководитель исследования по созданию трехмерной модели атмосферы горячего юпитера, которое проводится в рамках программы Webb Guaranteed Time Observations (GTO).

Силикаты — минералы, богатые кремнием и кислородом — составляют значительную массу Земли, Луны и других каменистых объектов Солнечной системы. Они уже встречались астрономам в атмосферах экзопланет и в составе коричневых карликов, но в форме богатых магнием минералов вроде оливина и пироксена, а не чистого кремнезема.

Причем если в облака Земли частицы минералов попадают с поверхности планеты благодаря ветру, то на горячем юпитере WASP-17b нанокристаллы кремнезема формируются в верхних слоях самой атмосферы, в условиях высокой температуры, примерно 1500 градусов Цельсия, и очень низкого давления — одной тысячной земного.

«В этих условиях твердые кристаллы могут формироваться напрямую из газа, минуя фазу жидкого состояния», — объяснил главный автор исследования Дэвид Грант из Бристольского университета (Великобритания).

По словам ученого, из данных «Хаббла» они знали, что в атмосфере WASP-17b должны быть аэрозоли, но не ожидали, что в составе будет кремнезем.

«Мы ожидали увидеть силикаты магния, а засекли, вероятно, их „кирпичики” — маленькие частицы, необходимые для формирования более сложных силикатов, которые мы видим на более прохладных экзопланетах и коричневых карликах», — объяснила соавтор Ханна Уэйкфорд из Бристольского университета.

Горячие юпитеры вроде WASP-17b состоят в основном из водорода и гелия с небольшими примесями водяного пара и углекислого газа. И если учитывать лишь эти примеси, общая оценка количества кислорода в планете окажется сильно заниженной. Впрочем, и сейчас оценить объем кремнезема в облаках WASP-17b не удастся, потому что в рамках этого исследования инструмент MIRI наблюдал лишь окрестности терминатора — линии между дневной и ночной стороной экзопланеты.