硅冰包裹着热系外行星木星的炽热大气

二氧化硅“雪”片充满了过热、蓬松的系外行星 WASP-17 b 的天空。

地球上最常见、最熟悉的矿物之一很少值得成为头条新闻。 石英存在于世界各地的海滩沙、建筑石、晶洞和宝石商店中。 它被熔化以生产玻璃，精炼成硅微芯片，并用于手表中计时。

那么最新发现有何不同呢？ 美国宇航局的 詹姆斯·韦伯太空望远镜？ 想象一下石英晶体凭空出现。 一团闪闪发光的颗粒雾气如此之小，一万颗颗粒可以并排分布在一根人类的头发上。 一群尖尖的玻璃纳米粒子在一个蓬松的气态巨行星的炎热大气中竞相奔跑 系外行星 以每小时数千英里的速度。

韦伯具有独特的能力，可以测量这些晶体对星光的极其微妙的影响——至少在超过七百万亿英里的距离上——提供了有关系外行星大气成分的重要信息以及对其天气的新见解。

MIRI（韦伯中红外仪器）于 2023 年 3 月 12 日至 13 日捕获的热气体巨型系外行星 WASP-17 b 的透射光谱揭示了系外行星云中存在石英（结晶二氧化硅，SiO2）的第一个证据。 。
该光谱是通过测量行星经过恒星时 28 个中红外光波段的亮度变化而得出的。 韦伯使用低分辨率 MIRI 光谱仪观察 WASP-17 系统约 10 个小时，在凌日之前、期间和之后收集了超过 1,275 个测量数据。
对于每个波长，被行星大气层阻挡的光量（白色圆圈）是通过从恒星最初发射的光量中减去穿过大气层的光量来计算的。
紫色实线是最适合韦伯 (MIRI)、哈勃和斯皮策数据的模型。 （哈勃和斯皮策的数据覆盖了从0.34到4.5微米的波长，图中没有显示。）光谱在8.6微米左右显示出明显的特征，天文学家认为这是由二氧化硅颗粒吸收了部分穿过大气层的星光造成的。
黄色虚线显示了如果 WASP-17 b 大气中的云不含 SiO2，这部分透射光谱会是什么样子。
这是第一次在系外行星中发现二氧化硅，也是第一次在经过的系外行星中发现任何特定类型的云。
图片来源：NASA、ESA、CSA、Ralph Crawford (STScI)、David Grant（布里斯托大学）、Hannah R. 韦克福德（布里斯托大学）、妮可·刘易斯（康奈尔大学）

韦伯太空望远镜在巨大的热气云中探测到微小的石英晶体

研究人员使用 NASA 的詹姆斯·韦伯太空望远镜在 WASP-17 b（一颗热行星）的高空云层中发现了石英纳米晶体的证据。 木星 距离地球 1,300 光年的系外行星。 这一发现是使用 MIRI（韦伯中红外仪器）唯一可能实现的，代表着首次检测到二氧化硅 (SiO)。₂) 在系外行星的大气中检测到了粒子。

“我们很兴奋！” 大卫·格兰特 (David Grant) 是一名研究人员… 布里斯托大学 英国和今天（10 月 16 日）发表论文的第一作者 天体物理学期刊通讯。 “我们从哈勃观测中得知，WASP-17 b 的大气中一定存在气溶胶——形成云或雾的小颗粒，但我们没想到它们是由石英制成的。”

硅酸盐（富含硅和氧的矿物质）构成了地球和月球以及太阳系中其他岩石天体的大部分，并且在整个银河系中极为常见。 但之前在系外行星和褐矮星大气层中检测到的硅酸盐颗粒似乎是由富含镁的硅酸盐（如橄榄石和辉石）组成，而不仅仅是石英（即纯 SiO）。₂。

该团队还包括来自美国宇航局艾姆斯研究中心和美国宇航局戈达德太空飞行中心的研究人员，其发现为我们对系外行星云如何形成和演化的理解带来了新的认识。 “我们完全期待看到硅酸镁，”同样来自布里斯托大学的合著者汉娜·韦克福德说。 “但我们看到的很可能是这些粒子的组成部分，这些微小的‘种子’粒子需要形成我们在冷系外行星和褐矮星中检测到的更大的硅酸盐颗粒。”

发现细微的差别

WASP-17 b 的体积是木星的七倍多，质量不到木星的一半，是已知最大、最膨胀的系外行星之一。 再加上它的轨道周期仅为 3.7 个地球日，这使得这颗行星成为透射光谱的理想选择：一种涉及测量行星大气层对星光的过滤和散射效应的技术。

韦伯对 WASP-17 系统进行了大约 10 个小时的监测，收集了超过 1,275 个行星经过其恒星时 5 至 12 微米中红外光亮度的测量结果。 通过从恒星本身的亮度中减去当行星位于恒星前方时到达望远镜的各个波长的光的亮度，研究小组能够计算出每个波长有多少被行星的大气层阻挡。

出现的是一个意想不到的 8.6 微米的“凸起”，如果云是由硅酸镁或其他潜在高温气溶胶（如氧化铝）构成的，这一特征是不会被预料到的，但如果它们是由石英构成的，则完全有意义。

水晶、云朵和风

虽然这些晶体的形状可能与地球上晶洞和宝石店中发现的尖六角棱柱相似，但每个晶体的直径只有约 10 纳米（百万分之一厘米）。

“哈勃数据实际上在确定这些粒子的大小方面发挥了关键作用，”来自康奈尔大学的合著者 Nicole Lewis 解释道，她负责领导保证时间观测 (GTO) 网络项目，该项目旨在帮助建立热行星的 3D 视图。 木星的大气层。 “我们仅从韦伯的 MIRI 数据中就知道了二氧化硅的存在，但我们需要哈勃望远镜的可见光和近红外观测作为背景，才能知道晶体有多大。”

与地球云中发现的矿物颗粒不同，WASP-17 b 云中检测到的石英晶体不是从岩石表面回收的。 相反，它们起源于大气本身。 “WASP-17 b 非常热——大约 2,700 度 F （1500度 摄氏度） – 石英晶体在大气层高处形成的压力不超过我们在地球表面所经历的压力的千分之一左右。 “在这些条件下，固体晶体可以直接从气体中形成，而不需要首先经历液相。”

了解云的组成部分对于了解整个地球至关重要。 像 WASP-17 b 这样的热木星主要由氢和氦组成，还含有少量其他气体，例如水蒸气 (H)。₂O) 和二氧化碳 (CO₂）。 “如果我们只考虑这些气体中所含的氧气，而忽略了石英（SiO）等矿物中捕获的所有氧气，₂我们将大幅减少总体丰度，”韦克福德解释道。 “这些美丽的二氧化硅晶体告诉我们不同材料的库存以及它们如何聚集在一起塑造这个星球的环境。”

很难准确确定石英的含量以及云的分布范围。 格兰特说：“云很可能出现在白天和黑夜的过渡期间，这是我们观测正在探索的区域。” 由于这颗行星被潮汐锁定，有非常炎热的白天和较凉爽的夜晚，因此云可能绕行星运行，但当它们到达较热的白天时就会蒸发。 “风可以每小时数千英里的速度移动这些微小的玻璃颗粒。”

WASP-17 b 是 JWST 科学家团队使用分辨率多仪器光谱 (DREAMS) 探测器对系外行星大气层进行深度侦察的三颗行星之一，这些探测器旨在收集来自每个主要行星的单个代表的全面观测数据系外行星的类别。 : 木星很热，很温暖 海王星还有一颗中等岩石行星。 MIRI 对热木星 WASP-17 b 的观测是 GTO 1353 计划的一部分。

参考文献：“JWST-TST 梦想：WASP-17b 大气中的石英云”作者：David Grant、Nicole K. 刘易斯，汉娜·R. 韦克福德，娜塔莎·E. 巴塔利亚、安娜·格利登、贾耶什·戈亚尔、伊利亚·穆林斯、瑞恩·J· 麦克唐纳、艾琳·M·梅、莎拉·西格、凯文·B·史蒂文森、杰夫·A. 瓦伦蒂、查农·费舍尔、莉莉·奥尔德森、娜塔莉·H·艾伦、卡莱布·I·卡纳斯、肯科尔·科隆、马克·克莱平、内斯特·埃斯皮诺萨、阿梅莉·格雷西尔、黄景生、林子凡、道格拉斯·朗、达纳·R· 洛、玛丽亚·佩纳·格雷罗、苏克里特·兰甘、克里斯汀·S. 索岑、丹尼尔·瓦伦丁、杰·安德森、威廉·O. 帕尔默、安德里亚·贝里尼、凯兰·K·W·霍赫、延斯·卡默勒、马蒂亚·利伯拉尔托、C. Matt Mountain、Marshall de Perrin、Laurent Boyot、Emily Rickman、Isabel Rebolledo、Sangmo Tony Son、Roland P. van der Marel 和 Laura L. Watkins，2023 年 10 月 16 日， 天体物理学期刊通讯。
DOI：10.3847/2041-8213/acfc3b

詹姆斯·韦伯太空望远镜是世界领先的太空科学天文台。 韦伯解开了太阳系的奥秘，超越了其他恒星周围的遥远世界，探索了宇宙的神秘结构和起源以及我们在其中的位置。 WEB 是由 NASA 与其合作伙伴欧洲航天局 (ESA) 共同领导的一项国际计划。欧洲航天局）和加拿大航天局。