«Джеймс Уэбб» впервые обнаружил кристаллы чистого кварца в атмосфере экзопланеты

Кварцевая пыль в облаках «горячего Юпитера»: как телескоп «Джеймс Уэбб» нашел то, чего не ждали На экзопланете WASP-17b, расположенной в 1300 световых годах от Земли, идут дожди из чистого кварца. Международная группа астрономов с помощью инструментов космической обсерватории «Джеймс Уэбб» впервые зафиксировала в атмосфере далекого мира кристаллы диоксида кремния (SiO2) — той самой породы, которая лежит в основе обычного песка и горного хрусталя на нашей планете. Однако природа этих кристаллов и условия их формирования оказались уникальными для всей наблюдаемой Вселенной.

Самый «пухлый» газовый гигант в поле зрения «Уэбба»

WASP-17b относится к классу «горячих юпитеров» — газовых гигантов, которые обращаются вплотную к своим звездам. Этот объект выделяется даже среди себе подобных: его радиус почти вдвое превышает радиус Юпитера, но масса при этом составляет лишь половину от массы нашего газового гиганта. Столь низкая плотность делает WASP-17b одной из самых «раздутых» экзопланет из известных науке. Именно эта аномальная физика позволила провести детальный анализ. Атмосфера планеты настолько обширна, что при прохождении по диску звезды (транзите) она блокирует значительную часть света. Орбитальный период составляет всего 3,7 земных суток, что дает ученым регулярную возможность «просвечивать» газовую оболочку на просвет.

Спектроскопия высокого разрешения: от наночастиц к кристаллам

Ранее наблюдения телескопа «Хаббл» указывали на присутствие в верхних слоях атмосферы WASP-17b твердых частиц нанометрового размера. Природа этих аэрозолей оставалась загадкой: стандартные модели предсказывали наличие силикатов магния или железа, характерных для холодных коричневых карликов. Решение пришло с данными прибора MIRI (Mid-Infrared Instrument) на борту «Джеймса Уэбба». Анализ спектра поглощения в среднем инфракрасном диапазоне показал четкий пик на длине волны 8,6 микрометра. Такое поглощение однозначно соответствует чистейшему кварцу — SiO2 без примесей. Размер частиц, рассчитанный по модели рассеяния, составил около 10 нанометров. «Мы знали из наблюдений „Хаббла“, что в атмосфере WASP-17b должны быть аэрозоли — крошечные частицы, составляющие облака или дымку, — пояснил руководитель исследования Дэниел Грант из Бристольского университета. — Но мы не ожидали, что они будут состоять из кварца».

Термодинамический парадокс: кристаллы без жидкой фазы

Ключ к разгадке кроется в экстремальных условиях на границе дня и ночи. WASP-17b находится в приливном захвате: одна сторона планеты постоянно обращена к звезде, другая — в вечной тьме. Температура на ночной стороне достигает 1500 °C, а давление в атмосфере в тысячу раз превышает земное. При таких параметрах пары кремния и кислорода, поднимающиеся из нижних слоев, минуют стадию жидкости. Процесс сублимации (переход из газа в твердое тело) происходит напрямую. Образовавшиеся кристаллы кварца формируют плотную дымку на терминаторе — линии раздела света и тени. Атмосферные ветры переносят их на дневную сторону, где под прямыми лучами звезды кварц вновь испаряется, замыкая цикл. Влияние этого открытия выходит далеко за рамки изучения одной планеты. Понимание химии силикатных облаков в атмосферах горячих юпитеров позволяет уточнять модели формирования планетных систем. Если процесс прямой конденсации кварца возможен при температурах выше 1000 °C, это меняет представления о зонах обитаемости и миграции газовых гигантов. Кроме того, обнаруженный механизм сублимации может объяснять аномально высокое содержание кремния в атмосферах некоторых звезд, которые поглощают подобные планеты на поздних стадиях эволюции.