Webb ziet kwartskristallen in de wolken van een hete gasreus
Astronomen hebben met behulp van de Webb Space Telescope bewijs gevonden voor kwarts-nanokristallen in de hooggelegen wolken van WASP-17 b, een hete gasreus op een afstand van 1300 lichtjaar van de Aarde.
De waarneming, die op unieke wijze mogelijk was met MIRI (Mid Infrared Instrument) markeert de eerste keer dat silica (SiO2)-deeltjes zijn waargenomen in de atmosfeer van een exoplaneet.
De kwartskristallen hebben een diameter van slechts ongeveer 10 nanometer, zo klein dat er 10.000 naast elkaar in een mensenhaar zouden kunnen passen. Hun grootte en samenstelling van puur silica werden gerapporteerd in “JWST-TST DREAMS: Quartz Clouds in the Atmosphere of WASP-17b”, gepubliceerd in Astrophysical Letters.
“Hubble-data speelden feitelijk een sleutelrol bij het beperken van de grootte van de deeltjes. We weten alleen al uit de MIRI-gegevens van Webb dat er silica is, maar we hadden die zichtbare en nabij-infrarode waarnemingen van Hubble nodig voor context, om erachter te komen hoe groot de kristallen zijn.”, zegt coauteur Nikole Lewis, universiteit hoofddocent astronomie aan het College of Arts and Sciences, lid van het Carl Sagan Institute en leider van het Webb Guaranteed Time Observation (GTO)-programma, ontworpen om te helpen een driedimensionaal beeld te bouwen van de atmosfeer van een hete Jupiter.
Webb observeerde het WASP-17-systeem bijna 10 uur lang en verzamelde meer dan 1275 helderheidsmetingen van midden-infraroodlicht van 5 tot 12 micrometer toen de planeet voorlangs zijn ster passeerde. Door de helderheid van de individuele golflengten van het licht dat de telescoop bereikte toen de planeet zich vóór de ster bevind, af te trekken van die van de ster zelf, kon het onderzoeksteam berekenen hoeveel van elke golflengte door de atmosfeer van de planeet werd geblokkeerd.
Wat naar voren kwam was een onverwachte “bubbel” bij 8,6 micrometer, die het best kon worden verklaard doordat de wolken uit kwarts bestonden, in plaats van uit magnesiumsulfaten of andere mogelijke aerosolen met hoge temperaturen, zoals aluminiumoxide.
Webb’s unieke vermogen om de uiterst subtiele effecten van deze kristallen op het sterlicht te meten – en dat vanaf een afstand van meer dan 12 miljoen*miljard kilometer – levert cruciale informatie op over de samenstelling van de atmosfeer van de exoplaneten en nieuwe inzichten in het weer ervan.
De resultaten van de auteurs van het artikel, die deel uitmaken van het JWST Telescope Scientist Team en onderzoekers van het Ames Research Center en het Goddard Space Flight Center, beiden van de NASA, geven een nieuwe draai aan ons begrip van hoe exoplaneetwolken ontstaan en evolueren. In plaats van magnesiumrijke silicaten zoals olivijn en pyroxeen die je op andere exoplaneten ziet, vonden de onderzoekers hun bouwstenen: het zuivere silica dat nodig was om de grotere silicaatkorrels te vormen die te zinden zijn in bruine dwergen en koelere exoplaneten.
Met een volume dat meer dan zeven keer zo groot is als dat van Jupiter en een massa van minder dan de helft van Jupiter, is WASP-17 b een van de grootste en meest opgezwollen bekende exoplaneten. Dit, samen met zijn korte omlooptijd van 3,7 aardse dagen, maakt de planeet ideaal voor transmissiespectroscopie: een techniek waarbij de filterende en verstrooiende effecten van de atmosfeer van een planeet op sterlicht worden gemeten om kenmerken van de samenstelling ervan te detecteren,
In tegenstelling tot minerale deeltjes die in wolken op Aarde worden aangetroffen, worden de kwartskristallen die in de wolken van WASP-17 b worden gedetecteerd, niet van een rotsachtig oppervlak meegesleurd. In plaats daarvan vinden ze hun oorsprong in de atmosfeer zelf.
“WASP-17 b is extreme heet – ongeveer 1500 °C – en de druk waarbij de kwartskristallen zich hoog in de atmosfeer vormen, bedraagt slechts ongeveer een duizendste van wat we op het aardoppervlak ervaren. Onder deze omstandigheden kunnen zich rechtstreeks vaste kristallen vormen uit gas, zonder eerst een vloeibare fase te doorlopen”, zegt eerste auteur David Grant van de Universiteit van Bristol.
Hoeveel kwarts er precies is en hoe doordringend de wolken zijn, is moeilijk te bepalen, maar het team wil precies dat doen door deze waarnemingen van WASP-17 b te combineren met andere waarnemingen van het systeem door de JWST.
WASP-17 b is een van de drie planeten die het doelwit zijn van de Deep Reconnaissance of Exoplanet Atmospheres van het JWST Telescope Scientist Team met behulp van Multi-Instrument Spectroscopy (DREAMS) onderzoeken, die zijn ontworpen om een uitgebreide reeks observaties te verzamelen van één vertegenwoordiger uit elke belangrijke klasse exoplaneten: een hete Jupiter, een warme Neptunus en een gematigde rotsachtige planeet.
De MIRI-waarnemingen van de hete Jupiter WASP-17 b zijn gemaakt als onderdeel van GTO-programma 1353.
Artikel: More information: David Grant et al, JWST-TST DREAMS: Quartz Clouds in the Atmosphere of WASP-17b, The Astrophysical Journal Letters (2023).
Eerste publicatie: 16 oktober 2023
Bron: Cornell University
