Các nhà nghiên cứu cùng với Kính viễn vọng Không gian James Webb của NASA đã phát hiện bằng chứng về các tinh thể nano thạch anh trong các đám mây ở độ cao lớn của ngoại hành tinh nóng hổi của Sao Mộc WASP-17b, cách Trái đất 1.300 năm ánh sáng. Việc phát hiện này được thực hiện bởi Webb Mid-Infrared Explorer (MIRI), đánh dấu sự phát hiện đầu tiên về các hạt silicon dioxide (SiO2) trong bầu khí quyển ngoại hành tinh.


Ý tưởng của nghệ sĩ này cho thấy ngoại hành tinh WASP-17b có thể trông như thế nào. WASP-17b, còn được gọi là Ditsö̀, là một hành tinh khí nóng khổng lồ quay quanh ngôi sao của nó ở khoảng cách chỉ 0,051 AU (khoảng 4,75 triệu dặm, tương đương với 1/8 khoảng cách giữa Sao Thủy và Mặt Trời), hoàn thành một quỹ đạo hoàn chỉnh trong khoảng 3,7 ngày Trái Đất. Hệ thống này nằm trong Dải Ngân hà, cách Trái đất khoảng 1.300 năm ánh sáng trong chòm sao Scorpius. WASP-17b có kích thước gấp hơn 7 lần Sao Mộc nhưng khối lượng của nó chưa bằng một nửa Sao Mộc. Đó là một hành tinh rất lớn. Chu kỳ quỹ đạo ngắn, kích thước lớn, bầu khí quyển dày và rộng của nó khiến nó trở nên lý tưởng cho việc quan sát bằng phương pháp quang phổ truyền qua, đo lường tác động của bầu khí quyển của một hành tinh lên ánh sáng sao đi qua nó. Nguồn: NASA, ESA, CSA, Ralph Crawford (STScI)

David Grant, nhà nghiên cứu tại Đại học Bristol ở Anh và là tác giả đầu tiên của bài báo xuất bản hôm nay (16 tháng 10) trên Tạp chí Vật lý thiên văn: "Chúng tôi rất phấn khích! Chúng tôi biết từ quan sát của Hubble rằng phải có sol khí trong bầu khí quyển của WASP-17b - -Các hạt nhỏ tạo nên mây hoặc sương mù, nhưng chúng tôi đã không nhận ra rằng chúng được làm từ thạch anh. Vào ngày 12-13 tháng 3 năm 2023, quang phổ truyền qua của ngoại hành tinh WASP-17b được MIRI (Thiết bị hồng ngoại giữa Webb) ghi lại lần đầu tiên đã tiết lộ bằng chứng về sự hiện diện của thạch anh (silica tinh thể, SiO2) trong các đám mây ngoại hành tinh. ánh sáng hồng ngoại giữa khi hành tinh đi ngang qua ngôi sao của nó. Webb đã sử dụng máy quang phổ có độ phân giải thấp của MIRI để quan sát hệ thống WASP-17 trong gần 10 giờ, thu thập hơn 1.275 phép đo trước, trong và sau quá trình đi qua. bởi ngôi sao (vòng tròn màu trắng).

Đường liền màu tím là mô hình phù hợp nhất cho dữ liệu Webb (MIRI), Hubble và Spitzer (Dữ liệu của Hubble và Spitzer bao gồm các bước sóng từ 0,34 đến 4,5 micron và không được hiển thị trong hình).

Đường đứt nét màu vàng cho thấy phần quang phổ truyền này sẽ trông như thế nào nếu các đám mây trong bầu khí quyển của WASP-17b không chứa silica.

Đây là lần đầu tiên silica được tìm thấy ở một ngoại hành tinh và là lần đầu tiên bất kỳ loài đám mây cụ thể nào được tìm thấy trong một ngoại hành tinh quá cảnh.

Nguồn: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI), David Grant (Đại học Bristol), Hannah R. Wakeford (Đại học Anh Bristol), Nikole Lewis (Đại học Cornell)

Silicates (khoáng chất giàu silicon và oxy) là thành phần chính của Trái đất, Mặt trăng và các loại đá khác trong hệ mặt trời và cực kỳ phổ biến trên khắp Dải Ngân hà. Nhưng các hạt silicat được phát hiện trước đây trong bầu khí quyển của các ngoại hành tinh và sao lùn nâu dường như được cấu tạo từ các silicat giàu magie như olivin và pyroxene, chứ không chỉ là thạch anh - silic nguyên chất.Nhóm nghiên cứu còn bao gồm các nhà nghiên cứu từ Trung tâm Nghiên cứu Ames của NASA và Trung tâm Bay Không gian Goddard của NASA. Kết quả nghiên cứu của họ cung cấp những ý tưởng mới cho sự hiểu biết của chúng ta về sự hình thành và tiến hóa của các đám mây ngoại hành tinh. Đồng tác giả Hannah Wakeford, cũng đến từ Đại học Bristol, cho biết: "Chúng tôi hoàn toàn mong đợi nhìn thấy magie silicat. Nhưng những gì chúng tôi thấy có thể là nền tảng của những vật liệu này, những 'hạt giống' nhỏ bé cần thiết để hình thành nên những hạt silicat lớn hơn mà chúng tôi phát hiện ở các ngoại hành tinh lạnh hơn và các sao lùn nâu. '

Phát hiện Tinh tế Thay đổi

Có kích thước lớn hơn bảy lần Sao Mộc và khối lượng chưa đến một nửa, WASP-17b là một trong những ngoại hành tinh lớn nhất và phồng nhất hiện được biết đến. Điều này, kết hợp với chu kỳ quỹ đạo ngắn chỉ 3,7 ngày Trái đất, khiến hành tinh này trở thành một ứng cử viên lý tưởng cho quang phổ truyền qua: một kỹ thuật đo hiệu ứng lọc và tán xạ của bầu khí quyển hành tinh đối với ánh sáng sao.

Webb đã quan sát hệ thống WASP-17 trong gần 10 giờ, thu thập hơn 1.275 phép đo độ sáng của ánh sáng hồng ngoại giữa từ 5 đến 12 micron khi hành tinh đi ngang qua ngôi sao. Bằng cách trừ độ sáng của từng bước sóng tới kính viễn vọng khi hành tinh ở phía trước ngôi sao bằng độ sáng của chính ngôi sao, nhóm nghiên cứu có thể tính toán lượng ánh sáng bị chặn bởi bầu khí quyển của hành tinh ở mỗi bước sóng và tìm thấy một "vết sưng" bất ngờ ở mức 8,6 micron. Đặc điểm này sẽ thật bất ngờ nếu các đám mây được làm từ magie silicat hoặc có thể là các sol khí nhiệt độ cao khác như nhôm oxit, nhưng sẽ hoàn toàn hợp lý nếu các đám mây được làm từ thạch anh.

Tinh thể, Mây và Gió

Mặc dù các tinh thể có thể có hình dạng tương tự như các lăng kính lục giác nhọn được tìm thấy trong các tinh hốc và cửa hàng đá quý trên Trái đất, nhưng mỗi tinh thể chỉ có đường kính khoảng 10 nanomet, hoặc một phần triệu của một centimet.

"Dữ liệu Hubble thực sự đóng một vai trò quan trọng trong việc xác định kích thước của các hạt này", đồng tác giả Nicole Lewis của Đại học Cornell, người đứng đầu chương trình Quan sát thời gian đảm bảo Webb (GTO) được thiết kế để giúp xây dựng cái nhìn ba chiều về bầu khí quyển của Sao Mộc nóng, giải thích. Chúng tôi biết silica chỉ hiện diện từ dữ liệu hình ảnh cận hồng ngoại của Webb, nhưng chúng tôi cần các quan sát cận hồng ngoại và nhìn thấy được của Hubble làm cơ sở để tìm ra kích thước của các tinh thể. "

Không giống như các hạt khoáng chất được tìm thấy trong các đám mây của Trái đất, các tinh thể thạch anh được phát hiện trong các đám mây của WASP-17b không cuộn lên từ bề mặt đá. Thay vào đó, chúng có nguồn gốc từ chính bầu khí quyển. "WASP-17b cực kỳ nóng -- khoảng 2.700 độ F (1.500 độ C) -- và áp suất hình thành các tinh thể thạch anh cao trong khí quyển chỉ là một phần nghìn về áp suất mà chúng ta trải qua trên bề mặt Trái đất," Grant giải thích. Trong những điều kiện này, các tinh thể rắn có thể hình thành trực tiếp từ chất khí mà không cần phải trải qua pha lỏng trước tiên. "

Hiểu được cấu tạo của các đám mây là rất quan trọng để hiểu được toàn bộ hành tinh. Các Sao Mộc nóng như WASP-17b có thành phần chủ yếu là hydro và heli, với một lượng nhỏ các loại khí khác như hơi nước (H2O) và carbon dioxide (CO2). Wakeford giải thích: “Nếu chúng ta chỉ xem xét lượng oxy trong các khí này và bỏ qua tất cả lượng oxy bị giữ trong các khoáng chất như thạch anh (SiO2), thì chúng ta sẽ đánh giá thấp tổng lượng oxy có trong đó”. Những tinh thể silica tuyệt đẹp này cho chúng ta biết về sự hiện diện của các vật liệu khác nhau và cách chúng phối hợp với nhau để định hình môi trường hành tinh. "

Rất khó xác định chính xác có bao nhiêu thạch anh và mức độ khuếch tán của các đám mây. "Các đám mây có thể xuất hiện ở chu kỳ ngày-đêm (điểm kết thúc), đó là khu vực mà chúng tôi quan sát được." Grant nói. Do hành tinh này bị khóa thủy triều, với ngày nóng và đêm mát hơn, các đám mây có thể di chuyển quanh hành tinh nhưng bốc hơi khi chúng đến phía ban ngày nóng hơn. Gió có thể cuốn những hạt thủy tinh nhỏ bé này đi với vận tốc hàng nghìn dặm mỗi dặm. giờ."

WASP-17b được khảo sát bởi một nhóm các nhà khoa học kính viễn vọng JWST bằng cách sử dụng Khảo sát sâu về khí quyển ngoại hành tinh bằng phương pháp quang phổ đa dụng cụ (DREAMS) Là một trong ba hành tinh mục tiêu, cuộc khảo sát nhằm mục đích thu thập dữ liệu quan sát toàn diện về một đại diện của mỗi loại ngoại hành tinh chính: Sao Mộc nóng, Sao Hải Vương ấm áp và hành tinh đá ôn đới. Quan sát hình ảnh cận hồng ngoại của Sao Mộc nóng WASP-17b là một phần của chương trình GTO1353.