Es silika menyelimuti atmosfer panas planet ekstrasurya Jupiter

Serpihan “salju” silika memenuhi langit planet ekstrasurya WASP-17 yang sangat panas dan menggembung.

Sekilas tentang salah satu mineral yang paling umum dan dikenal di Bumi jarang sekali menjadi berita utama. Kuarsa ditemukan di pasir pantai, batu bangunan, geode, dan toko permata di seluruh dunia. Ia dilebur untuk menghasilkan kaca, dimurnikan untuk mikrochip silikon, dan digunakan dalam jam tangan untuk menjaga waktu.

Lalu apa yang membedakan penemuan terbaru ini? NASA‘S Teleskop Luar Angkasa James Webb? Bayangkan kristal kuarsa muncul begitu saja dari udara tipis. Kabut butiran berkilauan yang sangat kecil sehingga 10.000 butir bisa muat berdampingan di sehelai rambut manusia. Kawanan nanopartikel kaca runcing berlomba melalui atmosfer panas raksasa gas yang menggembung planet ekstrasurya Dengan kecepatan ribuan mil per jam.

Kemampuan unik Webb untuk mengukur efek yang sangat halus dari kristal-kristal tersebut pada cahaya bintang – dan setidaknya dari jarak lebih dari tujuh juta miliar mil – memberikan informasi penting tentang komposisi atmosfer eksoplanet dan wawasan baru tentang cuacanya.

Spektrum transmisi planet ekstrasurya raksasa gas panas WASP-17 b, yang ditangkap oleh MIRI (Webb Mid-Infrared Instrument) pada 12-13 Maret 2023, mengungkap bukti pertama adanya kuarsa (kristal silika, SiO2) di awan planet ekstrasurya. .
Spektrum tersebut dibuat dengan mengukur perubahan kecerahan 28 pita panjang gelombang cahaya inframerah tengah saat planet melewati bintangnya. Webb mengamati sistem WASP-17 menggunakan spektrometer MIRI resolusi rendah selama sekitar 10 jam, mengumpulkan lebih dari 1.275 pengukuran sebelum, selama, dan setelah transit.
Untuk setiap panjang gelombang, jumlah cahaya yang terhalang oleh atmosfer planet (lingkaran putih) dihitung dengan mengurangkan jumlah cahaya yang melewati atmosfer dari jumlah emisi awal bintang.
Garis ungu solid adalah model yang paling sesuai dengan data Webb (MIRI), Hubble, dan Spitzer. (Data Hubble dan Spitzer mencakup panjang gelombang dari 0,34 hingga 4,5 mikron dan tidak ditampilkan dalam grafik.) Spektrum tersebut menunjukkan fitur yang jelas pada sekitar 8,6 mikron, yang diyakini para astronom disebabkan oleh partikel silika yang menyerap sebagian cahaya bintang yang melewati atmosfer. .
Garis putus-putus berwarna kuning menunjukkan seperti apa bagian spektrum transmisi ini jika awan di atmosfer WASP-17 b tidak mengandung SiO2.
Ini adalah pertama kalinya SiO2 teridentifikasi di sebuah planet ekstrasurya, dan pertama kalinya jenis awan tertentu teridentifikasi di sebuah planet ekstrasurya yang melintas.
Kredit gambar: NASA, ESA, CSA, Ralph Crawford (STScI), David Grant (Universitas Bristol), Hannah R. Wakeford (Universitas Bristol), Nicole Lewis (Universitas Cornell)

Teleskop Luar Angkasa Webb mendeteksi kristal kuarsa kecil di awan gas panas raksasa

Para peneliti yang menggunakan Teleskop Luar Angkasa James Webb milik NASA telah menemukan bukti adanya nanokristal kuarsa di awan ketinggian WASP-17 b, sebuah planet panas. Jupiter Sebuah planet ekstrasurya yang berjarak 1.300 tahun cahaya dari Bumi. Penemuan ini, yang secara unik dimungkinkan dengan menggunakan MIRI (instrumen inframerah tengah Webb), merupakan pertama kalinya silika (SiO) terdeteksi.₂) Partikel telah terdeteksi di atmosfer sebuah planet ekstrasurya.

“Kami sangat senang!” David Grant, seorang peneliti di… Universitas Bristol Di Inggris dan penulis pertama makalah yang diterbitkan hari ini (16 Oktober) di Surat Jurnal Astrofisika. “Kami mengetahui dari pengamatan Hubble bahwa aerosol – partikel kecil yang membentuk awan atau kabut – pasti ada di atmosfer WASP-17 b, namun kami tidak menyangka bahwa partikel tersebut terbuat dari kuarsa.”

Silikat (mineral yang kaya akan silikon dan oksigen) membentuk sebagian besar Bumi dan Bulan serta benda-benda berbatu lainnya di tata surya kita, dan sangat umum ditemukan di seluruh galaksi. Namun butiran silikat yang sebelumnya terdeteksi di atmosfer eksoplanet dan katai coklat tampaknya terbuat dari silikat kaya magnesium seperti olivin dan piroksen, bukan hanya kuarsa – yang merupakan SiO murni.₂.

Temuan tim ini, yang juga mencakup para peneliti dari NASA Ames Research Center dan NASA Goddard Space Flight Center, memberikan perubahan baru pada pemahaman kita tentang bagaimana awan eksoplanet terbentuk dan berevolusi. “Kami sepenuhnya berharap untuk melihat magnesium silikat,” kata rekan penulis Hannah Wakeford, juga dari Universitas Bristol. “Tetapi yang kita lihat kemungkinan besar adalah bahan penyusun partikel-partikel tersebut, partikel ‘benih’ kecil yang diperlukan untuk membentuk butiran silikat yang lebih besar yang kita deteksi di planet ekstrasurya dingin dan katai coklat.”

Temukan perbedaan halusnya

Dengan volume lebih dari tujuh kali ukuran Jupiter dan massa kurang dari setengah massa Jupiter, WASP-17 b adalah salah satu exoplanet terbesar dan paling membengkak yang pernah diketahui. Hal ini, dikombinasikan dengan periode orbitnya yang pendek, hanya 3,7 hari Bumi, menjadikan planet ini ideal untuk spektroskopi transmisi: suatu teknik yang melibatkan pengukuran efek penyaringan dan hamburan atmosfer planet terhadap cahaya bintang.

Webb memantau sistem WASP-17 selama sekitar 10 jam, mengumpulkan lebih dari 1.275 pengukuran kecerahan cahaya inframerah tengah berukuran 5 hingga 12 mikron saat planet tersebut transit di bintangnya. Dengan mengurangkan kecerahan masing-masing panjang gelombang cahaya yang mencapai teleskop ketika planet berada di depan bintang dengan kecerahan bintang saja, tim dapat menghitung berapa banyak setiap panjang gelombang yang terhalang oleh atmosfer planet.

Apa yang muncul adalah “benjolan” tak terduga sebesar 8,6 mikron, suatu fitur yang tidak diharapkan jika awan terbuat dari magnesium silikat atau aerosol yang berpotensi bersuhu tinggi seperti aluminium oksida, namun masuk akal jika terbuat dari kuarsa. .

Kristal, awan, dan angin

Meskipun kristal-kristal ini mungkin memiliki bentuk yang mirip dengan prisma heksagonal runcing yang ditemukan di geode dan toko permata di Bumi, masing-masing kristal ini hanya berukuran sekitar 10 nanometer – sepersejuta sentimeter.

“Data Hubble sebenarnya memainkan peran penting dalam menentukan ukuran partikel-partikel ini,” jelas rekan penulis Nicole Lewis dari Cornell University, yang memimpin program Web Guaranteed Time Observation (GTO) yang dirancang untuk membantu membangun tampilan 3D planet-planet panas. atmosfer Yupiter. “Kami mengetahui keberadaan silika hanya dari data MIRI Webb, namun kami memerlukan observasi kasat mata dan inframerah dekat dari Hubble untuk mengetahui konteksnya, untuk mengetahui seberapa besar kristal tersebut.”

Berbeda dengan partikel mineral yang ditemukan di awan di Bumi, kristal kuarsa yang terdeteksi di awan WASP-17 b tidak ditemukan dari permukaan berbatu. Sebaliknya, mereka berasal dari atmosfer itu sendiri. “WASP-17 b sangat panas – sekitar 2.700 derajat F (1500 derajat Celsius) – Tekanan pembentukan kristal kuarsa yang tinggi di atmosfer tidak melebihi sekitar seperseribu tekanan yang kita alami di permukaan bumi. “Dengan kondisi seperti ini, kristal padat dapat terbentuk langsung dari gas, tanpa melalui fase cair terlebih dahulu.”

Memahami komponen awan sangat penting untuk memahami planet ini secara keseluruhan. Jupiter panas seperti WASP-17 b sebagian besar terdiri dari hidrogen dan helium, dengan sejumlah kecil gas lain seperti uap air (H).₂O) dan karbon dioksida (CO₂). “Jika kita hanya mempertimbangkan oksigen yang terkandung dalam gas-gas ini, dan mengabaikan semua oksigen yang terperangkap dalam mineral seperti kuarsa (SiO),₂Kami akan secara drastis mengurangi kelimpahan secara keseluruhan,” jelas Wakeford. “Kristal silika yang indah ini memberi tahu kita tentang inventaris berbagai bahan dan bagaimana semuanya bersatu untuk membentuk lingkungan planet ini.”

Sulit untuk menentukan secara pasti berapa banyak kuarsa yang ada dan seberapa luas awannya. “Awan kemungkinan besar akan hadir selama transisi antara siang dan malam, yang merupakan area yang dieksplorasi oleh pengamatan kami,” kata Grant. Karena planet ini terkunci pasang surut dengan sisi siang hari yang sangat panas dan sisi malam yang lebih dingin, kemungkinan besar awan mengorbit planet ini, namun menguap ketika mencapai sisi siang hari yang lebih panas. “Angin dapat menggerakkan partikel-partikel kaca kecil ini dengan kecepatan ribuan mil per jam.”

WASP-17 b adalah salah satu dari tiga planet yang ditargetkan oleh tim ilmuwan JWST untuk Pengintaian Mendalam Atmosfer Eksoplanet menggunakan probe Resolusi Multi-Instrumen Spektroskopi (DREAMS), yang dirancang untuk mengumpulkan serangkaian pengamatan komprehensif dari satu perwakilan dari masing-masing planet besar. kelas exoplanet. : Jupiter panas, hangat NeptunusDan planet berbatu sedang. Pengamatan MIRI terhadap Jupiter panas WASP-17 b dilakukan sebagai bagian dari program GTO 1353.

Referensi: “Mimpi JWST-TST: Awan Kuarsa di Atmosfer WASP-17b” oleh 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, Kenkol 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, dan Laura L. Watkins, 16 Oktober 2023, Surat Jurnal Astrofisika.
doi: 10.3847/2041-8213/acfc3b

Teleskop Luar Angkasa James Webb adalah observatorium sains luar angkasa terkemuka di dunia. Webb memecahkan misteri tata surya kita, melihat melampaui dunia jauh di sekitar bintang lain, dan mengeksplorasi struktur misterius dan asal usul alam semesta serta tempat kita di dalamnya. WEB merupakan program internasional yang dipimpin oleh NASA bersama mitranya Badan Antariksa Eropa (ESA).Badan Antariksa Eropa) dan Badan Antariksa Kanada.