Kvarckristályok egy exobolygó felhőiben

A WASP-17b jelű exobolygó egy forró Jupiter típusú égitest, vagyis gázóriás, amely csillagához nagyon közel kering, s emiatt igen magas hőmérsékletű a légköre. A JWST MIRI nevű műszere segítségével a bolygó nagy légköri magasságú felhőiben sikerült kvarc nanokristályokat kimutatni. Ez az első eset, hogy egy bolygó légkörében szilícium-dioxidot találtak, és ezt csakis ez az űreszköz tette lehetővé, számolt be a NASA JPL.

„A Hubble megfigyeléseiből már tudtuk, hogy vannak a WASP-17b légkörében aeroszolok – mikroszkopikus szemcsék, amelyek felhőket vagy ködszerű homályt alkotnak – azt azonban nem vártuk, hogy ezek kvarcból állnak” – mondta a kutatást vezető David Grant.

A kőzetbolygók és holdak nagy részét szilikátos (szilíciumot és oxigént tartalmazó) kőzetek alkotják, és ezek meglehetősen gyakoriak lehetnek szerte a galaxisban. Az eddig exobolygók és barna törpék esetében felfedezett légköri szilikátok azonban nem tiszta kvarcból, hanem magnéziumban gazdag szilikátásványokból, mint az olivin vagy a piroxén álltak. Ez a friss felfedezés kissé átalakítja az exobolygók légkörének, felhőzetének kialakulásáról alkotott tudásunkat.

Így blokkolja a csillaga fényét a bolygó légkörében lévő kvarc. A méréseket 28 hullámhosszon végezte el a JWST, ezeket az adatokat a Hubble és a Spitzer méréseivel is kiegészítették. A 8,6 mikronos hullámhosszon jelentkező jel az, ami a szakemberek szerint a kvarckristályoknak köszönhető. A lila vonal a mérések alapján modellezett spektrum grafikonja, a sárga rész azt mutatja, milyennek kellene lenni, ha nem volna a légkörben a kvarc.

Forrás: NASA, ESA, CSA, and R. Crawford (STScI). Science: Nikole Lewis (Cornell University), David Grant (University of Bristol), Hannah Wakeford (University of Bristol) from the Space Telescope Science Institute.

A kutatók úgy vélik, a most azonosított szemcsékre úgy lehet tekinteni, mint a más égitestek légkörében talált kristályok előfutáraira.

A WASP-17b a Jupiter méretének hétszerese, ám tömegének alig a fele, ezzel az egyik legnagyobb, leginkább felfúvódott exobolygó, amelyet ismerünk. Ez, valamint a mindössze 3,7 földi napot kitevő keringési ideje ideális céllá tette a transzmissziós spektroszkópia számára. Ez azt jelenti, hogy meg lehet mérni, miként szűri és szórja a bolygó légköre a csillaga fényét, miközben áthalad előtte.

A JWST összesen több mint 10 órán keresztül végzett méréseket a bolygó és csillaga fényén. Azzal, hogy a csillag fényének egyes hullámhosszúságú összetevőiből a bolygó légkörén átszűrődő fény ugyanezen hullámhosszúságú összetevőit kivonták, kiderült, mit is takar el, szűr meg a légkör a csillagfényből. A 8,6 mikronos hullámhossz-ponton egy kiugrást tapasztaltak, amely kimondottan a kvarchoz köthető ez esetben.

A kutatók úgy vélik, a légköri kvarc kristályai valószínűleg pont úgy néznek ki, mint az ásványboltokból jól ismert hegyes végű hatszöghasáb kristályok, azonban ezek mérete mindössze 10 nanométeres lehet (ez a méter egymilliárdod része). Ahhoz, hogy a szemcsék méretét be tudják határolni, a kutatóknak a Hubble adatait is fel kellett használniuk. A Hubble, a látható tartományban és közeli infravörösben végzett, mérései nélkül nem tudták volna kiszámítani a méretet.

Azonban a kristályok nem a bolygó felszínéről erednek – a Földön is kerülhet a légkörbe hasonló jellegű szemcse, ha felkapja a szél a felszínről. A WASP-17b légkörében képződnek, amely rendkívül forró, mintegy 1500 Celsius-fokos. A légnyomás a kristályok képződési helyén alig az ezredrésze a földfelszíni légnyomásnak, s ilyen körülmények közepette a folyadék-halmazállapot kihagyásával, közvetlenül a gázból kialakulhatnak a kristályok.

A WASP-17b kötött keringésű (mindig ugyanazzal az oldalával néz csillaga felé), nagyon forró nappali, és nagyon hideg éjszakai oldallal – a kvarcból álló felhőket pedig a nappalt és az éjszakát elválasztó határvonalon lehetett észlelni. A kutatók szerint a kvarcfelhők kristályai könnyen lehet, hogy a bolygó légkörében körbe-körbe utaznak, az éjszakai oldalon kialakulnak, a nappali oldalon pedig elpárolognak. A bolygó rendkívüli sebességű, 1600 kilométer per órás szelei képesek e kristályokból álló felhőket elsodorni.

A megfigyelések egy olyan projekt részeként születhettek, amelynek során a különféle exobolygó-típusok mindegyikéből egy-egy példát részletesebben vizsgál a JWST: egy forró Jupitert, egy meleg Neptunuszt és egy mérsékelt kőzetbolygót.