La nieve de sílice envuelve la ardiente atmósfera del caliente exoplaneta Júpiter

Copos de “nieve” de sílice llenan los cielos del exoplaneta hinchado y abrasador WASP-17 b.

Vislumbrar uno de los minerales más comunes y familiares de la Tierra rara vez merece un titular. El cuarzo se encuentra en la arena de las playas, piedras de construcción, geodas y tiendas de gemas de todo el mundo. Se funde para fabricar vidrio, se refina para formar microchips de silicio y se utiliza en relojes para marcar la hora.

Entonces, ¿qué tiene de especial el último descubrimiento de NASA‘S Telescopio espacial James Webb? Imagínese cristales de cuarzo que aparecen literalmente de la nada. Una niebla de motas brillantes tan pequeñas que cabrían 10.000 una al lado de la otra en un cabello humano. Enjambres de nanopartículas vítreas puntiagudas corren a través de la atmósfera sofocante de un gigante gaseoso hinchado exoplaneta a miles de millas por hora.

La capacidad única de Webb para medir los efectos extremadamente sutiles de estos cristales en la luz de las estrellas (y desde una distancia de más de siete millones de billones de millas, nada menos) está proporcionando conocimientos críticos sobre la composición de las atmósferas de los exoplanetas y nuevos conocimientos sobre sus climas.

Un espectro de transmisión del exoplaneta gigante gaseoso WASP-17 b capturado por MIRI (Instrumento de infrarrojo medio de Webb) los días 12 y 13 de marzo de 2023, revela la primera evidencia de la presencia de cuarzo (sílice cristalina, SiO2) en las nubes de un exoplaneta.
El espectro se obtuvo midiendo el cambio en el brillo de 28 bandas de longitud de onda de luz infrarroja media cuando el planeta pasaba frente a su estrella. Webb observó el sistema WASP-17 utilizando el espectrógrafo de baja resolución de MIRI durante casi 10 horas, recopilando más de 1.275 mediciones antes, durante y después del tránsito.
Para cada longitud de onda, la cantidad de luz bloqueada por la atmósfera del planeta (círculos blancos) se calculó restando la cantidad que pasó a través de la atmósfera de la cantidad emitida originalmente por la estrella.
La línea violeta continua es el modelo que mejor se ajusta a los datos de Webb (MIRI), Hubble y Spitzer. (Los datos del Hubble y Spitzer cubren longitudes de onda de 0,34 a 4,5 micrones y no se muestran en el gráfico). El espectro muestra una característica clara alrededor de 8,6 micrones, que los astrónomos creen que es causada por partículas de sílice que absorben parte de la luz de las estrellas que pasa a través de la superficie. atmósfera.
La línea amarilla discontinua muestra cómo se vería esa parte del espectro de transmisión si las nubes en la atmósfera de WASP-17 b no contuvieran SiO2.
Esta es la primera vez que se identifica SiO2 en un exoplaneta, y la primera vez que se identifica una especie de nube específica en un exoplaneta en tránsito.
Créditos: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI), David Grant (Universidad de Bristol), Hannah R. Wakeford (Universidad de Bristol), Nikole Lewis (Universidad de Cornell)

El Telescopio Espacial Webb detecta diminutos cristales de cuarzo en nubes de gas caliente gigante

Los investigadores, utilizando el telescopio espacial James Webb de la NASA, han detectado evidencia de nanocristales de cuarzo en las nubes a gran altitud de WASP-17 b, un planeta caliente. Júpiter exoplaneta a 1.300 años luz de la Tierra. La detección, sólo posible con MIRI (Instrumento de infrarrojo medio de Webb), marca la primera vez que la sílice (SiO₂) Se han detectado partículas en la atmósfera de un exoplaneta.

“¡Estábamos emocionados!” dijo David Grant, investigador de Universidad de Bristol en el Reino Unido y primer autor de un artículo publicado hoy (16 de octubre) en Cartas del diario de astrofísica. «Sabíamos por las observaciones del Hubble que debía haber aerosoles (partículas diminutas que forman nubes o neblina) en la atmósfera de WASP-17 b, pero no esperábamos que estuvieran hechos de cuarzo».

Los silicatos (minerales ricos en silicio y oxígeno) constituyen la mayor parte de la Tierra y la Luna, así como de otros objetos rocosos de nuestro sistema solar, y son extremadamente comunes en toda la galaxia. Pero los granos de silicato detectados previamente en las atmósferas de exoplanetas y enanas marrones parecen estar hechos de silicatos ricos en magnesio como el olivino y el piroxeno, no solo de cuarzo, que es SiO puro.₂.

El resultado de este equipo, que también incluye investigadores del Centro de Investigación Ames de la NASA y del Centro de Vuelos Espaciales Goddard de la NASA, da un nuevo giro a nuestra comprensión de cómo se forman y evolucionan las nubes de exoplanetas. «Esperábamos ver silicatos de magnesio», dijo la coautora Hannah Wakeford, también de la Universidad de Bristol. «Pero lo que estamos viendo en cambio son probablemente los componentes básicos de estos, las diminutas partículas ‘semillas’ necesarias para formar los granos de silicato más grandes que detectamos en exoplanetas más fríos y enanas marrones».

Detectar variaciones sutiles

Con un volumen más de siete veces el de Júpiter y una masa inferior a la mitad de la de Júpiter, WASP-17 b es uno de los exoplanetas más grandes e hinchados que se conocen. Esto, junto con su corto período orbital de sólo 3,7 días terrestres, hace que el planeta sea ideal para la espectroscopia de transmisión: una técnica que implica medir los efectos de filtrado y dispersión de la atmósfera de un planeta en la luz de las estrellas.

Webb observó el sistema WASP-17 durante casi 10 horas, recopilando más de 1.275 mediciones de brillo de luz infrarroja media de 5 a 12 micrones mientras el planeta pasaba a través de su estrella. Al restar el brillo de las longitudes de onda de luz individuales que alcanzaron el telescopio cuando el planeta estaba frente a la estrella del brillo de la estrella misma, el equipo pudo calcular qué parte de cada longitud de onda fue bloqueada por la atmósfera del planeta.

Lo que surgió fue un inesperado “bulto” de 8,6 micrones, una característica que no se esperaría si las nubes estuvieran hechas de silicatos de magnesio u otros posibles aerosoles de alta temperatura como el óxido de aluminio, pero que tiene mucho sentido si están hechas de cuarzo. .

Cristales, nubes y vientos.

Si bien es probable que estos cristales tengan una forma similar a los prismas hexagonales puntiagudos que se encuentran en las geodas y tiendas de gemas de la Tierra, cada uno de ellos mide sólo unos 10 nanómetros de ancho, una millonésima de centímetro.

«Los datos del Hubble en realidad desempeñaron un papel clave a la hora de limitar el tamaño de estas partículas», explicó el coautor Nikole Lewis de la Universidad de Cornell, que dirige el programa Webb Guaranteed Time Observation (GTO), diseñado para ayudar a construir una vista tridimensional de una superficie caliente. planeta. La atmósfera de Júpiter. «Sabemos que hay sílice sólo a partir de los datos MIRI de Webb, pero necesitábamos las observaciones visibles e infrarrojas cercanas del Hubble para entender el tamaño de los cristales».

A diferencia de las partículas minerales que se encuentran en las nubes de la Tierra, los cristales de cuarzo detectados en las nubes de WASP-17 b no son expulsados ​​de una superficie rocosa. Más bien, se originan en la atmósfera misma. “WASP-17 b es extremadamente caliente: alrededor de 2.700 grados Fahrenheit (1.500 grados Centígrado) – y la presión a la que se forman los cristales de cuarzo en lo alto de la atmósfera es sólo una milésima parte de la que experimentamos en la superficie de la Tierra”, explicó Grant. «En estas condiciones, se pueden formar cristales sólidos directamente a partir del gas, sin pasar primero por una fase líquida».

Comprender de qué están hechas las nubes es fundamental para comprender el planeta en su conjunto. Los Júpiter calientes como WASP-17 b están formados principalmente de hidrógeno y helio, con pequeñas cantidades de otros gases como vapor de agua (H₂O) y dióxido de carbono (CO₂). “Si consideramos sólo el oxígeno presente en estos gases y dejamos de incluir todo el oxígeno contenido en minerales como el cuarzo (SiO₂), subestimaremos significativamente la abundancia total”, explicó Wakeford. «Estos hermosos cristales de sílice nos hablan sobre el inventario de diferentes materiales y cómo se combinan para dar forma al medio ambiente de este planeta».

Es difícil determinar exactamente cuánto cuarzo hay y qué tan extendidas están las nubes. «Es probable que haya nubes a lo largo de la transición día/noche (el terminador), que es la región investigada por nuestras observaciones», dijo Grant. Dado que el planeta está bloqueado por mareas con un lado diurno muy cálido y un lado nocturno más frío, es probable que las nubes rodeen el planeta, pero se vaporicen cuando lleguen al lado diurno más cálido. «Los vientos podrían mover estas diminutas partículas vítreas a miles de kilómetros por hora».

WASP-17 b es uno de los tres planetas objetivo de los estudios de Reconocimiento Profundo de Atmósferas de Exoplanetas del Equipo Científico del Telescopio JWST mediante espectroscopía de múltiples instrumentos (DREAMS), diseñado para recopilar un conjunto completo de observaciones de un representante de cada clase clave de exoplanetas: a Júpiter caliente, un caliente Neptunoy un planeta rocoso templado. Las observaciones MIRI del caliente Júpiter WASP-17 b se realizaron como parte del programa GTO 1353.

Referencia: “JWST-TST DREAMS: Nubes de cuarzo en la atmósfera de WASP-17b” por David Grant, Nikole K. Lewis, Hannah R. Wakeford, Natasha E. Batalha, Ana Glidden, Jayesh Goyal, Elijah Mullens, Ryan J. MacDonald , Erin M. May, Sara Seager, Kevin B. Stevenson, Jeff A. Valenti, Channon Visscher, Lili Alderson, Natalie H. Allen, Caleb I. Cañas, Knicole Colón, Mark Clampin, Néstor Espinoza, Amélie Gressier, Jingcheng Huang, Zifan Lin, Douglas Long, Dana R. Louie, María Peña-Guerrero, Sukrit Ranjan, Kristin S. Sotzen, Daniel Valentine, Jay Anderson, William O. Balmer, Andrea Bellini, Kielan KW Hoch, Jens Kammerer, Mattia Libralato, C. Matt Mountain, Marshall D. Perrin, Laurent Pueyo, Emily Rickman, Isabel Rebollido, Sangmo Tony Sohn, Roeland P. van der Marel y Laura L. Watkins, 16 de octubre de 2023. Las cartas del diario de astrofísica.
DOI: 10.3847/2041-8213/acfc3b

El Telescopio Espacial James Webb es el principal observatorio científico espacial del mundo. Webb está resolviendo los misterios de nuestro sistema solar, mirando más allá, hacia mundos distantes alrededor de otras estrellas, y explorando las misteriosas estructuras y orígenes de nuestro universo y nuestro lugar en él. Webb es un programa internacional liderado por la NASA con sus socios, la ESA (Agencia Espacial Europea) y la Agencia Espacial Canadiense.