La glace de silice enveloppe l’atmosphère enflammée de la chaude exoplanète Jupiter

Des flocons de « neige » de silice remplissent le ciel de l’exoplanète surchauffée et gonflée WASP-17 b.

Un regard sur l’un des minéraux les plus courants et les plus familiers sur Terre mérite rarement de faire la une des journaux. Le quartz se trouve dans le sable des plages, les pierres de construction, les géodes et les bijouteries du monde entier. Il est fondu pour produire du verre, affiné pour fabriquer des micropuces de silicium et utilisé dans les montres pour indiquer l’heure.

Alors, qu’est-ce qui distingue la dernière découverte ? NASAc’est Télescope spatial James Webb? Imaginez des cristaux de quartz surgissant littéralement de nulle part. Une brume de grains chatoyants si petits que 10 000 d’entre eux pourraient tenir côte à côte sur un cheveu humain. Des essaims de nanoparticules de verre pointues traversent l’atmosphère chaude d’une géante gazeuse gonflée Exoplanète À des milliers de kilomètres par heure.

La capacité unique de Webb à mesurer les effets extrêmement subtils de ces cristaux sur la lumière des étoiles – et à une distance d’au moins sept millions de milliards de kilomètres – fournit des informations importantes sur la composition des atmosphères exoplanétaires et de nouvelles informations sur leur météo.

Le spectre de transmission de l’exoplanète géante des gaz chauds WASP-17 b, capturé par MIRI (Webb Mid-Infrared Instrument) les 12 et 13 mars 2023, révèle la première trace de quartz (silice cristalline, SiO2) dans les nuages ​​de l’exoplanète. .
Le spectre a été réalisé en mesurant le changement de luminosité de 28 bandes de longueur d’onde de lumière infrarouge moyen lorsque la planète passe devant son étoile. Webb a observé le système WASP-17 à l’aide d’un spectromètre MIRI basse résolution pendant environ 10 heures, collectant plus de 1 275 mesures avant, pendant et après le transit.
Pour chaque longueur d’onde, la quantité de lumière bloquée par l’atmosphère de la planète (cercles blancs) a été calculée en soustrayant la quantité qui a traversé l’atmosphère de la quantité initialement émise par l’étoile.
La ligne violette continue est le modèle le mieux adapté aux données Webb (MIRI), Hubble et Spitzer. (Les données de Hubble et Spitzer couvrent des longueurs d’onde de 0,34 à 4,5 microns et ne sont pas présentées dans le graphique.) Le spectre montre une caractéristique claire à environ 8,6 microns, qui, selon les astronomes, est causée par des particules de silice absorbant une partie de la lumière des étoiles traversant l’atmosphère. .
La ligne pointillée jaune montre à quoi ressemblerait cette partie du spectre de transmission si les nuages ​​​​dans l’atmosphère de WASP-17 b ne contenaient pas de SiO2.
C’est la première fois que SiO2 est identifié dans une exoplanète, et la première fois qu’un type spécifique de nuage est identifié dans une exoplanète de passage.
Crédit image : NASA, ESA, CSA, Ralph Crawford (STScI), David Grant (Université de Bristol), Hannah R. Wakeford (Université de Bristol), Nicole Lewis (Université Cornell)

Le télescope spatial Webb détecte de minuscules cristaux de quartz dans des nuages ​​​​géants de gaz chaud

Des chercheurs utilisant le télescope spatial James Webb de la NASA ont découvert des traces de nanocristaux de quartz dans les nuages ​​​​à haute altitude de WASP-17 b, une planète chaude. Jupiter Une exoplanète située à 1 300 années-lumière de la Terre. Cette découverte, qui a été uniquement possible grâce à MIRI (l’instrument infrarouge moyen de Webb), représente la première fois que de la silice (SiO) est détectée.₂) Des particules ont été détectées dans l’atmosphère d’une exoplanète.

«Nous étions ravis!» David Grant, chercheur à… Université de Bristol Au Royaume-Uni et premier auteur d’un article publié aujourd’hui (16 octobre) dans Lettres de journaux astrophysiques. « Nous savions grâce aux observations de Hubble que des aérosols – de petites particules qui forment des nuages ​​ou du brouillard – devaient être présents dans l’atmosphère de WASP-17 b, mais nous ne nous attendions pas à ce qu’ils soient constitués de quartz. »

Les silicates (minéraux riches en silicium et en oxygène) constituent la majeure partie de la Terre et de la Lune ainsi que d’autres corps rocheux de notre système solaire, et sont extrêmement courants dans toute la galaxie. Mais les grains de silicate précédemment détectés dans l’atmosphère des exoplanètes et des naines brunes semblent être constitués de silicates riches en magnésium tels que l’olivine et le pyroxène, et non de quartz seul, qui est du SiO pur.₂.

Les découvertes de cette équipe, qui comprend également des chercheurs du centre de recherche Ames de la NASA et du centre de vol spatial Goddard de la NASA, donnent une nouvelle tournure à notre compréhension de la formation et de l’évolution des nuages ​​​​exoplanétaires. « Nous nous attendions vraiment à voir du silicate de magnésium », a déclaré la co-auteure Hannah Wakeford, également de l’Université de Bristol. « Mais ce que nous voyons à la place sont probablement les éléments constitutifs de ces particules, les minuscules particules ‘graines’ nécessaires pour former les plus gros grains de silicate que nous détectons dans les exoplanètes froides et les naines brunes. »

Découvrez les différences subtiles

Avec un volume plus de sept fois supérieur à celui de Jupiter et une masse inférieure à la moitié de celle de Jupiter, WASP-17 b est l’une des exoplanètes les plus grandes et les plus volumineuses connues. Ceci, combiné à sa courte période orbitale de seulement 3,7 jours terrestres, rend la planète idéale pour la spectroscopie par transmission : une technique qui consiste à mesurer les effets de filtrage et de diffusion de l’atmosphère d’une planète sur la lumière des étoiles.

Webb a surveillé le système WASP-17 pendant environ 10 heures, collectant plus de 1 275 mesures de la luminosité de la lumière infrarouge moyenne de 5 à 12 microns alors que la planète transitait par son étoile. En soustrayant la luminosité des longueurs d’onde individuelles de la lumière qui atteignaient le télescope lorsque la planète était devant l’étoile de celle de l’étoile seule, l’équipe a pu calculer la quantité de chaque longueur d’onde bloquée par l’atmosphère de la planète.

Ce qui est apparu était une « bosse » inattendue à 8,6 microns, une caractéristique à laquelle on ne s’attendrait pas si les nuages ​​​​étaient constitués de silicate de magnésium ou d’autres aérosols potentiellement à haute température tels que l’oxyde d’aluminium, mais qui est parfaitement logique s’ils étaient constitués de quartz. .

Cristaux, nuages ​​et vent

Bien que ces cristaux puissent avoir une forme similaire aux prismes hexagonaux pointus trouvés dans les géodes et les magasins de pierres précieuses sur Terre, chacun ne mesure qu’environ 10 nanomètres de diamètre, soit un millionième de centimètre.

« Les données de Hubble ont en fait joué un rôle clé dans la détermination de la taille de ces particules », a expliqué la co-auteure Nicole Lewis de l’Université Cornell, qui dirige le programme Web d’observation en temps garanti (GTO) conçu pour aider à créer une vue 3D des planètes chaudes. L’atmosphère de Jupiter. « Nous connaissons la présence de silice grâce aux seules données MIRI de Webb, mais nous avions besoin d’observations visibles et proche infrarouge de Hubble pour le contexte, afin de connaître la taille des cristaux. »

Contrairement aux particules minérales trouvées dans les nuages ​​​​sur Terre, les cristaux de quartz détectés dans les nuages ​​​​de WASP-17 b n’ont pas été récupérés sur une surface rocheuse. Au lieu de cela, ils proviennent de l’atmosphère elle-même. « WASP-17 b est extrêmement chaud – environ 2 700 degrés F (1500 degrés ° C) – La pression à laquelle se forment les cristaux de quartz dans l’atmosphère ne dépasse pas environ un millième de celle que nous connaissons à la surface de la Terre. « Dans ces conditions, des cristaux solides peuvent se former directement à partir du gaz, sans passer au préalable par une phase liquide. »

Comprendre les composants des nuages ​​est crucial pour comprendre la planète dans son ensemble. Les Jupiters chauds comme WASP-17 b sont composés principalement d’hydrogène et d’hélium, avec de petites quantités d’autres gaz tels que la vapeur d’eau (H).₂O) et le dioxyde de carbone (CO₂). « Si l’on considère uniquement l’oxygène contenu dans ces gaz, et néglige d’inclure tout l’oxygène piégé dans les minéraux comme le quartz (SiO),₂Nous réduirons considérablement l’abondance globale », a expliqué Wakeford. « Ces magnifiques cristaux de silice nous renseignent sur l’inventaire de différents matériaux et sur la manière dont ils s’assemblent pour façonner l’environnement de cette planète. »

Il est difficile de déterminer exactement la quantité de quartz présente et l’étendue des nuages. « Les nuages ​​sont susceptibles d’être présents le long de la transition entre le jour et la nuit, qui est la zone que nos observations explorent », a déclaré Grant. Parce que la planète est verrouillée par les marées avec un côté jour très chaud et un côté nuit plus frais, les nuages ​​gravitent probablement autour de la planète, mais s’évaporent lorsqu’ils atteignent le côté jour le plus chaud. « Le vent peut déplacer ces minuscules particules de verre à des milliers de kilomètres par heure. »

WASP-17 b est l’une des trois planètes ciblées par l’équipe de scientifiques du JWST pour la reconnaissance profonde des atmosphères exoplanétaires à l’aide de sondes de spectroscopie multi-instruments à résolution (DREAMS), conçues pour collecter un ensemble complet d’observations d’un seul représentant de chaque grande planète. classe d’exoplanètes. : Jupiter est chaud, chaud NeptuneEt une planète rocheuse modérée. Les observations MIRI du Jupiter chaud WASP-17 b ont été réalisées dans le cadre du programme GTO 1353.

Référence : « JWST-TST Dreams : Nuages ​​de quartz dans l’atmosphère de WASP-17b » par 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 et Laura L. Watkins, 16 octobre 2023, Lettres de journaux astrophysiques.
est ce que je: 10.3847/2041-8213/acfc3b

Le télescope spatial James Webb est le principal observatoire des sciences spatiales au monde. Webb résout les mystères de notre système solaire, regarde au-delà des mondes lointains autour d’autres étoiles et explore les structures mystérieuses et les origines de notre univers et la place que nous y occupons. WEB est un programme international mené par la NASA avec ses partenaires l’Agence spatiale européenne (ESA).Agence spatiale européenne) et l’Agence spatiale canadienne.