熱い系外惑星木星の燃えるような大気をシリカ氷が包み込む

このアーティストのコンセプトは、系外惑星 WASP-17 b がどのようなものであるかを示しています。 WASP-17 b は、Ditsö̀ としても知られる高温ガス巨人で、わずか 0.051 天文単位 (約 475 万マイル、または水星と太陽の間の距離の 8 分の 1) の距離で恒星の周りを周回し、1 周を周回します。約3.7地球日。 このシステムは、地球から約 1,300 光年離れた、さそり座の天の川銀河内に位置しています。 WASP-17 b は、体積が木星の 7 倍以上、質量が木星の半分以下で、非常に肥大化した惑星です。 公転周期が短く、サイズが大きく、厚くて広大な大気があるため、透過分光法を使った観測に最適です。透過分光法では、惑星の大気がそれを通過する星の光に及ぼす影響を測定します。 画像クレジット: NASA、ESA、CSA、ラルフ・クロフォード (STScI)

b. シリカの「雪」の薄片が、過熱したふわふわした系外惑星 WASP-17 の空を満たします。

地球上で最も一般的で馴染みのある鉱物の 1 つを調べても、見出しに値することはほとんどありません。 クォーツは、世界中のビーチの砂、建築石、ジオード、宝石店で見つかります。 溶かされてガラスが作られ、シリコンマイクロチップ用に精製され、時間を計るための時計に使用されます。

では、今回の発見と何が違うのでしょうか? NASAさんの ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡? 水晶の結晶が文字通り何もないところから現れるところを想像してみてください。 きらめく粒子の霧。非常に小さいため、人間の髪の毛に 10,000 個並べて収まるほどです。 とがったガラスナノ粒子の群れが、ふくらんだガス巨人の熱い大気中を疾走する 系外惑星 時速数千マイルで。

これらの結晶が星の光に及ぼす極めて微妙な影響を、少なくとも 700 億マイル以上離れた場所から測定するウェッブのユニークな能力は、系外惑星大気の組成に関する重要な情報と、その気象に関する新たな洞察を提供します。

2023年3月12～13日にMIRI（ウェッブ中赤外線計測器）によって捉えられた、高温ガス巨大惑星系外惑星WASP-17 bの透過スペクトルにより、系外惑星の雲の中に石英（結晶質シリカ、SiO2）が存在する最初の証拠が明らかになった。 。
このスペクトルは、惑星が恒星を通過する際の中赤外線の 28 波長帯の明るさの変化を測定することによって作成されました。 ウェッブ氏は低解像度MIRI分光計を使用してWASP-17システムを約10時間観察し、通過前、通過中、通過後に1,275件以上の測定値を収集した。
各波長について、惑星の大気によって遮断された光の量 (白丸) は、恒星が最初に放出した光の量から大気を通過した光の量を差し引くことによって計算されました。
紫の実線は、Webb (MIRI)、ハッブル、スピッツァーのデータに最もよく適合するモデルです。 (ハッブルとスピッツァーのデータは 0.34 ～ 4.5 ミクロンの波長をカバーしているため、グラフには示されていません。) スペクトルは約 8.6 ミクロンに明確な特徴を示しており、天文学者はこれは大気を通過する星の光の一部を吸収するシリカ粒子によって引き起こされると考えています。 。
黄色の破線は、WASP-17 b の大気中の雲に SiO2 が含まれていない場合、透過スペクトルのこの部分がどのように見えるかを示しています。
SiO2 が系外惑星で確認されたのはこれが初めてであり、通過する系外惑星で特定の種類の雲が確認されたのは初めてです。
画像クレジット: NASA、ESA、CSA、Ralph Crawford (STScI)、David Grant (ブリストル大学)、Hannah R. ウェイクフォード (ブリストル大学)、ニコール・ルイス (コーネル大学)

ウェッブ宇宙望遠鏡が巨大な高温ガス雲の中にある小さな水晶の結晶を検出

NASA のジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡を使用している研究者らは、高温惑星 WASP-17 b の高高度の雲の中に石英ナノ結晶の証拠を発見しました。 木星 地球から1,300光年離れた系外惑星。 この発見は、MIRI (Webb の中赤外線装置) を使用することで独自に可能となり、シリカ (SiO) が初めて検出されたことを表しています。₂) 系外惑星の大気中で粒子が検出されました。

「私たちはとても興奮しました！」 デビッド・グラント、研究者… ブリストル大学 英国では、今日（10月16日）に出版された論文の筆頭著者です。 天体物理学ジャーナルレター。 「ハッブル観測から、エアロゾル（雲や霧を形成する小さな粒子）が WASP-17 b の大気中に存在するに違いないことはわかっていましたが、それが石英でできているとは予想していませんでした。」

ケイ酸塩（ケイ素と酸素が豊富な鉱物）は、地球と月、そして太陽系の他の岩体の大部分を占めており、銀河全体で非常に一般的です。 しかし、系外惑星や褐色矮星の大気中で以前に検出されたケイ酸塩粒子は、純粋なSiOである石英単体ではなく、かんらん石や輝石などのマグネシウムが豊富なケイ酸塩でできているようです。₂。

NASAエイムズ研究センターとNASAゴダード宇宙飛行センターの研究者も含まれるこのチームによる発見は、系外惑星雲がどのように形成され進化するのかについての私たちの理解に新たなひねりを加えた。 「私たちはケイ酸マグネシウムが見つかることを完全に期待していました」と、共著者で同じくブリストル大学のハンナ・ウェイクフォード氏は語った。 「しかし、代わりに私たちが見ているのは、おそらくそれらの粒子の構成要素であり、冷たい系外惑星や褐色矮星で検出されるより大きなケイ酸塩粒子を形成するために必要な小さな「種」粒子です。」

微妙な違いを発見する

WASP-17 b は、体積が木星の 7 倍以上、質量が木星の半分以下であり、既知の系外惑星の中で最大かつ最も肥大化したものの 1 つです。 これは、わずか 3.7 地球日という短い公転周期と組み合わせることで、この惑星を透過分光法、つまり星の光に対する惑星の大気のフィルター効果と散乱効果を測定する技術に最適なものにしています。

ウェッブ氏はWASP-17システムを約10時間監視し、惑星が恒星を通過する際の5～12ミクロンの中赤外線の明るさの1,275件以上の測定値を収集した。 惑星が恒星の前にあったときに望遠鏡に到達した光の個々の波長の明るさを、恒星のみの明るさから差し引くことで、研究チームは、各波長が惑星の大気によってどれだけ遮られるかを計算することができた。

現れたのは、8.6ミクロンの予期せぬ「隆起」でした。これは、雲がケイ酸マグネシウムや酸化アルミニウムなどの潜在的に高温のエアロゾルでできている場合には予​​期されなかった特徴ですが、石英でできている場合には完全に理にかなっています。 。

結晶と雲と風

これらの結晶は、地球上のジオードや宝石店で見られる尖った六角柱と形は似ているかもしれませんが、それぞれの直径はわずか約 10 ナノメートル、つまり 100 万分の 1 センチメートルです。

「ハッブル データは実際、これらの粒子のサイズを決定する上で重要な役割を果たしました」と共著者であるコーネル大学のニコール ルイス氏は説明します。彼は高温惑星の 3D ビューの構築を支援するために設計された時間保証観測 (GTO) Web プログラムを主導しています。 木星の大気。 「ウェッブのMIRIデータだけでシリカの存在についてはわかっていますが、結晶の大きさを知るためにはハッブルによる可視光と近赤外線の観測が必要でした。」

地球上の雲で見つかる鉱物粒子とは異なり、WASP-17 b の雲で検出された水晶の結晶は岩の表面から回収されたものではありません。 むしろ、それらは大気そのものから生じます。 「WASP-17 b は非常に高温です – 約 2,700 度 F (1500度 摂氏) – 大気中で水晶の結晶が形成される圧力は、地球の表面で経験する圧力の約 1,000 分の 1 を超えません。 「これらの条件下では、最初に液相を通過することなく、気体から直接固体結晶が形成される可能性があります。」

雲の構成要素を理解することは、地球全体を理解するために重要です。 WASP-17 b のようなホット ジュピターは主に水素とヘリウムで構成されており、水蒸気 (H) などの他のガスも少量含まれています。₂O) と二酸化炭素 (CO)₂）。 「これらのガスに含まれる酸素だけを考慮し、石英 (SiO) などの鉱物に閉じ込められた酸素をすべて含めることを無視すると、₂私たちは全体的な豊かさを劇的に減らすでしょう」とウェイクフォード氏は説明した。 「これらの美しいシリカの結晶は、さまざまな物質のストックと、それらすべてがどのように組み合わさってこの惑星の環境を形作っているのかを教えてくれます。」

どれだけの量の石英が存在し、雲がどの程度広がっているかを正確に判断することは困難です。 「雲は昼と夜の変わり目に存在する可能性が高く、それが私たちの観測が調査している領域です」とグラント氏は述べた。 地球は非常に暑い昼側と涼しい夜側が潮汐関係で固定されているため、雲は惑星の周りを周回している可能性がありますが、暑い昼側に到達すると蒸発します。 「風はこれらの小さなガラスの粒子を時速数千マイルで動かすことができます。」

WASP-17 b は、分解能多機器分光法 (DREAMS) プローブを使用した系外惑星大気の深部偵察のために、JWST 科学者チームが標的とした 3 つの惑星のうちの 1 つです。この探査機は、各専攻の代表者 1 名の包括的な観測セットを収集するように設計されています。系外惑星のクラス。 : 木星は熱い、暖かい ネプチューンそして適度な岩石惑星。 高温木星 WASP-17 b の MIRI 観測は、GTO 1353 プログラムの一環として行われました。

参考文献：「JWST-TST Dreams: Quartz Clouds in the Atmosphere of WASP-17b」David Grant、Nicole K. ルイス、ハンナ R. ウェイクフォード、ナターシャ E. バターリャ、アンナ グリッデン、ジェイシュ ゴヤル、イライジャ マリンズ、ライアン J. マクドナルド、エリン M. メイ、サラ シーガー、ケビン B. スティーブンソン、ジェフ A. ヴァレンティ、チャノン・フィッシャー、リリー・アルダーソン、ナタリー・H・アレン、カレブ・I・カーニャス、ケンコル・コロン、マーク・クランピン、ネストル・エスピノーザ、アメリ・グレシエ、ジンシェン・ファン、ジーファン・リン、ダグラス・ロング、ダナ・R. ロウ、マリア ペーニャ ゲレーロ、スクリット ランガン、クリスティーン S. ソッツェン、ダニエル バレンタイン、ジェイ アンダーソン、ウィリアム O. パーマー、アンドレア・ベッリーニ、ケラン・K・W・ホッホ、イェンス・カンメラー、マッティア・リベラルト、C. マット・マウンテン、マーシャル・デ・ペリン、ローラン・ボヨ、エミリー・リックマン、イザベル・レボレド、サンモ・トニー・ソン、ローランド・P・ファン・デル・マレル、ローラ・L・ワトキンス、2023年10月16日、 天体物理学ジャーナルレター。
土井: 10.3847/2041-8213/acfc3b

ジェームズ ウェッブ宇宙望遠鏡は、世界有数の宇宙科学天文台です。 ウェッブは太陽系の謎を解き明かし、他の星の周囲の遠い世界を超えて、私たちの宇宙とその中での私たちの位置の神秘的な構造と起源を探求します。 WEB は、NASA とそのパートナーである欧州宇宙機関 (ESA) が主導する国際プログラムです。欧州宇宙機関）とカナダ宇宙庁。