这个艺术家的概念图展示了系外行星wasp - 17b的样子。WASP-17 b，也被称为Dits? *，是一颗炽热的气态巨行星，绕其恒星运行的距离仅为0.051天文单位(约475万英里，或水星与太阳之间距离的八分之一)，在大约3.7个地球日内完成一个完整的循环。该星系位于银河系内，距离地球约1300光年，位于天蝎座。wasp - 17b的体积是木星的7倍多，质量不到木星的一半，是一颗极其臃肿的行星。它的轨道周期短，体积大，大气层厚，使它成为使用透射光谱学进行观测的理想选择，透射光谱学包括测量行星大气对通过它过滤的星光的影响。来源:NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI)
瞥见地球上最常见、最熟悉的矿物质之一很少值得上头条。石英在世界各地的沙滩、建筑石头、晶洞和宝石店中都有发现。它被熔化用来制造玻璃，被精炼用来制造硅微芯片，还被用来制作手表来计时。
有什么特别的关于美国宇航局詹姆斯·韦伯太空望远镜的最新发现?想象一下，石英晶体几乎是凭空出现的。这是一种由闪闪发光的颗粒组成的薄雾，微小到10000粒可以并排放在人的头发上。一群尖尖的玻璃状纳米粒子以每小时数千英里的速度在一颗膨胀的气态巨型系外行星的闷热大气中奔跑。
韦伯独特的能力可以测量这些晶体对星光的极其微妙的影响——而且距离超过700万亿英里，不少于700万亿英里——这为我们提供了关键的信息关于系外行星大气的组成和对其天气的新见解。
2023年3月12日至13日，韦伯的中红外仪器(MIRI)拍摄了热气体巨行星WASP-17 b的透射光谱，首次揭示了系外行星云层中存在石英(晶体二氧化硅，SiO2)的证据。该光谱是通过测量该行星凌日时中红外光28个波长波段的亮度变化而得出的。韦伯使用MIRI的低分辨率光谱仪对WASP-17系统进行了近10个小时的观测，在凌日之前、期间和之后收集了超过1275次测量数据。对于每个波长，被行星大气层阻挡的光量(白色圆圈)是通过从恒星最初发射的光量减去通过大气层的光量来计算的。紫色实线是最适合韦伯(MIRI)、哈勃和斯皮策数据的模型。(哈勃和斯皮策的数据覆盖了0.34到4.5微米的波长，没有显示在图表上。)光谱在8.6微米左右显示出一个清晰的特征，天文学家认为这是由于二氧化硅颗粒吸收了一些穿过大气层的星光。黄色虚线表示如果wasp - 17b大气中的云层不含SiO2，那部分透射光谱会是什么样子。这是第一次在系外行星中发现SiO2，也是第一次在凌日系外行星中发现任何特定的云种。来源:NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI)， David Grant(布里斯托尔大学)，Hannah R. Wakeford(布里斯托尔大学)，Nikole Lewis(康奈尔大学)
研究人员利用美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜在wasp - 17b的高空云层中发现了石英纳米晶体的证据，wasp - 17b是一颗距地球1300光年的热木星系外行星。这一探测是唯一可能通过MIRI(韦伯的中红外仪器)实现的，标志着二氧化硅(SiO2)颗粒首次在系外行星大气中被发现。
“我们太激动了!英国布里斯托尔大学的研究人员David Grant说，他是今天(10月16日)发表在《天体物理学杂志通讯》上的一篇论文的第一作者。“我们从哈勃望远镜的观测中知道，在wasp - 17b的大气中一定存在气溶胶——构成云或雾霾的微小颗粒，但我们没想到它们是由石英构成的。”
硅酸盐(富含硅和氧的矿物质)构成了地球和月球以及太阳系中其他岩石物体的主体，在银河系中极为普遍。但之前在系外行星和褐矮星大气中检测到的硅酸盐颗粒似乎是由富含镁的硅酸盐构成的，比如橄榄石和辉石，而不仅仅是石英，后者是纯SiO2。
这个团队的研究结果，还包括来自美国宇航局艾姆斯研究中心和美国宇航局戈达德太空飞行中心的研究人员，为我们对系外行星云如何形成和演化的理解提供了新的思路。同样来自布里斯托尔大学的合著者汉娜·韦克福德说:“我们完全期望看到硅酸镁。”“但我们看到的可能是这些物质的组成部分，这些微小的‘种子’粒子需要形成我们在较冷的系外行星和褐矮星中发现的较大的硅酸盐颗粒。”
发现细微的变化
wasp - 17b的体积是木星的7倍多，质量不到木星的一半，是已知的最大、最蓬松的系外行星之一。再加上它的轨道周期很短，只有3.7个地球日，这使得这颗行星成为透射光谱学的理想选择。透射光谱学是一种测量行星大气对星光的过滤和散射效应的技术。
韦伯对WASP-17系统进行了近10个小时的观测，收集了1275多个5至12微米中红外光的亮度测量，当这颗行星穿过它的恒星时。通过减去行星位于恒星前方时到达望远镜的各个波长的光的亮度，该团队能够计算出被行星大气层阻挡的每个波长的光的数量。
出现的是一个意想不到的8.6微米的“凸起”，如果云层是由硅酸镁或其他可能的高温气溶胶(如氧化铝)构成的，那么这个特征就不会被预料到，但如果它们是由石英构成的，这就完全说得过去了。
水晶、云和风
虽然这些晶体在形状上可能与地球上的晶洞和宝石店中发现的尖锐的六角形棱镜相似，但每个晶体的直径只有10纳米左右，也就是百万分之一厘米。
“哈勃数据实际上在限制这些粒子的大小方面发挥了关键作用，”康奈尔大学的合著者尼科尔·刘易斯解释说，他领导了韦伯保证时间观测(GTO)项目，该项目旨在帮助建立热木星大气的三维视图。“我们只从韦伯的MIRI数据中就知道有二氧化硅，但我们需要哈勃望远镜的可见光和近红外观测来了解背景，以弄清楚晶体有多大。”
与在地球云中发现的矿物颗粒不同，在wasp - 17b云中发现的石英晶体不是从岩石表面刮来的。相反，它们起源于大气本身。“wasp - 17b非常热，大约2700华氏度(1500摄氏度)，而石英晶体在大气中形成的压力只有我们在地球表面所经历的压力的千分之一，”格兰特解释说。“在这些条件下，固体晶体可以直接由气体形成，而不需要先经过液相。”
了解云层的构成对于了解整个地球至关重要。像wasp - 17b这样的热木星主要由氢和氦组成，还有少量其他气体，如水蒸气(H2O)和二氧化碳(CO2)。Wakeford解释说:“如果我们只考虑这些气体中的氧气，而忽略了石英(SiO2)等矿物质中锁住的所有氧气，我们将大大低估总丰度。”“这些美丽的二氧化硅晶体告诉我们不同材料的库存，以及它们如何聚集在一起塑造这个星球的环境。”
究竟有多少石英，云有多普遍，很难确定。格兰特说:“这些云很可能出现在白天和黑夜的过渡(终结者)，这是我们的观测探测的区域。”考虑到这颗行星被潮汐锁定在非常热的白天和较冷的夜晚，云很可能在行星周围循环，但当它们到达较热的白天时就蒸发了。“风可能会以每小时数千英里的速度移动这些微小的玻璃颗粒。”
wasp - 17b是JWST望远镜科学家团队使用多仪器光谱(DREAMS)调查对系外行星大气进行深度侦察的三颗行星之一，旨在收集来自每个关键系外行星类别的一个代表的综合观测数据:热木星，温暖海王星和温带岩石行星。MIRI对热木星wasp - 17b的观测是GTO 1353计划的一部分。
参考:“JWST-TST梦想:《WASP-17b大气中的石英云》作者: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. Ca?as, Knicole Colón, Mark Clampin, nacimstor Espinoza, amacimlie Gressier, Jingcheng Lin Zifan, Douglas Long, Dana R. Louie, Maria Pe?a-Guerrero, Sukrit Ranjan, Kristin S. Sotzen，Daniel Valentine, Jay Anderson, William O. Balmer, Andrea Bellini, Kielan K. W. 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和Laura L. Watkins, 2023年10月16日，《天体物理学杂志通信》。2041 - 8213 . DOI: 10.3847 / / acfc3b
詹姆斯·韦伯太空望远镜是世界上首屈一指的空间科学天文台。韦伯正在解开我们太阳系的谜团，放眼其他恒星周围的遥远世界，探索宇宙的神秘结构和起源，以及我们在其中的位置。韦伯是一个国际化的人美国国家航空航天局(NASA)及其合作伙伴欧洲航天局(ESA)和加拿大航天局(Canadian Space Agency)共同领导了这一项目。
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