يغلف ثلج السيليكا الغلاف الجوي الناري لكوكب المشتري الساخن خارج المجموعة الشمسية

تملأ رقائق “ثلج” السيليكا سماء الكوكب الخارجي المنتفخ شديد الحرارة WASP-17 b.

إن إلقاء نظرة على أحد المعادن الأكثر شيوعًا والمألوفة على الأرض نادرًا ما يستحق عنوانًا رئيسيًا. يوجد الكوارتز في رمال الشاطئ، وأحجار البناء، والجيود، ومحلات الأحجار الكريمة حول العالم. يتم صهره لإنتاج الزجاج، وتنقيته لرقائق السيليكون الدقيقة، ويستخدم في الساعات للحفاظ على الوقت.

إذن ما الذي يميز الاكتشاف الأخير من؟ ناسا‘س تلسكوب جيمس ويب الفضائي؟ تخيل بلورات الكوارتز التي تظهر حرفيًا من الهواء الرقيق. ضباب من الحبوب المتلألئة صغير جدًا لدرجة أن 10000 منها يمكن أن تتناسب جنبًا إلى جنب عبر شعرة الإنسان. أسراب من الجسيمات النانوية الزجاجية المدببة تتسابق عبر الغلاف الجوي الحار لعملاق غازي منتفخ كوكب خارجي في آلاف الأميال في الساعة.

إن قدرة ويب الفريدة على قياس التأثيرات الدقيقة للغاية لتلك البلورات على ضوء النجوم – ومن مسافة تزيد عن سبعة ملايين مليار ميل، على الأقل – توفر معلومات مهمة حول تكوين الغلاف الجوي للكواكب الخارجية ورؤى جديدة حول طقسها.

يكشف طيف الإرسال للكوكب الخارجي العملاق للغاز الساخن WASP-17 b، الذي تم التقاطه بواسطة MIRI (أداة Webb للأشعة تحت الحمراء المتوسطة) في 12-13 مارس 2023، عن أول دليل على وجود الكوارتز (السيليكا البلورية، SiO2) في سحب كوكب خارج المجموعة الشمسية.
تم صنع الطيف عن طريق قياس التغير في سطوع 28 نطاقًا من الطول الموجي للضوء تحت الأحمر المتوسط ​​أثناء مرور الكوكب بنجمه. لاحظ ويب نظام WASP-17 باستخدام مطياف MIRI منخفض الدقة لمدة 10 ساعات تقريبًا، وجمع أكثر من 1275 قياسًا قبل وأثناء وبعد العبور.
بالنسبة لكل طول موجي، تم حساب كمية الضوء التي يحجبها الغلاف الجوي للكوكب (الدوائر البيضاء) عن طريق طرح الكمية التي عبرت الغلاف الجوي من الكمية المنبعثة أصلاً من النجم.
يعد الخط الأرجواني الصلب هو النموذج الأنسب لبيانات Webb (MIRI) وHubble وSpitzer. (تغطي بيانات هابل وسبيتزر أطوال موجية تتراوح من 0.34 إلى 4.5 ميكرون ولا تظهر في الرسم البياني.) يُظهر الطيف ميزة واضحة تبلغ حوالي 8.6 ميكرون، والتي يعتقد علماء الفلك أنها ناجمة عن امتصاص جزيئات السيليكا لبعض ضوء النجوم الذي يمر عبر الغلاف الجوي.
يُظهر الخط الأصفر المتقطع كيف سيبدو هذا الجزء من طيف الإرسال إذا كانت السحب الموجودة في الغلاف الجوي لـ WASP-17 b لا تحتوي على SiO2.
هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها تحديد SiO2 في كوكب خارج المجموعة الشمسية، والمرة الأولى التي يتم فيها تحديد أي نوع محدد من السحب في كوكب خارجي عابر.
مصدر الصورة: ناسا، وكالة الفضاء الأوروبية، وكالة الفضاء الكندية، رالف كروفورد (STScI)، ديفيد جرانت (جامعة بريستول)، هانا ر. ويكفورد (جامعة بريستول)، نيكول لويس (جامعة كورنيل)

يكتشف تلسكوب ويب الفضائي بلورات الكوارتز الصغيرة في سحب الغاز الساخن العملاق

اكتشف الباحثون باستخدام تلسكوب جيمس ويب الفضائي التابع لناسا دليلاً على وجود بلورات الكوارتز النانوية في السحب العالية الارتفاع لـ WASP-17 b، وهو كوكب ساخن. كوكب المشتري كوكب خارج المجموعة الشمسية يبعد عن الأرض 1300 سنة ضوئية. يمثل هذا الاكتشاف، الذي كان ممكنًا بشكل فريد باستخدام MIRI (أداة Webb للأشعة تحت الحمراء المتوسطة)، المرة الأولى التي يتم فيها اكتشاف السيليكا (SiO)₂) تم رصد جزيئات في الغلاف الجوي لكوكب خارج المجموعة الشمسية.

“لقد شعرنا بسعادة غامرة!” وقال ديفيد جرانت، الباحث في جامعة بريستول في المملكة المتحدة والمؤلف الأول لورقة تم نشرها اليوم (16 أكتوبر) في رسائل مجلة الفيزياء الفلكية. “لقد علمنا من ملاحظات هابل أنه لا بد من وجود الهباء الجوي – وهي جزيئات صغيرة تشكل السحب أو الضباب – في الغلاف الجوي لـ WASP-17 b، لكننا لم نتوقع أن تكون مصنوعة من الكوارتز.”

تشكل السيليكات (المعادن الغنية بالسيليكون والأكسجين) الجزء الأكبر من الأرض والقمر بالإضافة إلى الأجسام الصخرية الأخرى في نظامنا الشمسي، وهي شائعة للغاية في جميع أنحاء المجرة. ولكن يبدو أن حبيبات السيليكات التي تم اكتشافها سابقًا في أجواء الكواكب الخارجية والأقزام البنية مصنوعة من سيليكات غنية بالمغنيسيوم مثل الأوليفين والبيروكسين، وليس الكوارتز وحده – وهو SiO النقي.₂.

إن النتيجة التي توصل إليها هذا الفريق، والذي يضم أيضًا باحثين من مركز أبحاث أميس التابع لناسا ومركز جودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا، تضع فكرة جديدة على فهمنا لكيفية تشكل وتطور سحب الكواكب الخارجية. وقالت المؤلفة المشاركة هانا ويكفورد، من جامعة بريستول أيضًا: “كنا نتوقع تمامًا رؤية سيليكات المغنيسيوم”. “لكن ما نراه بدلاً من ذلك هو على الأرجح اللبنات الأساسية لتلك الجسيمات، وهي جزيئات “البذور” الصغيرة اللازمة لتشكيل حبيبات السيليكات الأكبر حجمًا التي نكتشفها في الكواكب الخارجية الباردة والأقزام البنية”.

اكتشاف الاختلافات الدقيقة

مع حجم يزيد عن سبعة أضعاف حجم كوكب المشتري وكتلته أقل من نصف كتلة المشتري، يعد WASP-17 b واحدًا من أكبر الكواكب الخارجية المعروفة وأكثرها انتفاخًا. وهذا، إلى جانب الفترة المدارية القصيرة التي تبلغ 3.7 يومًا أرضيًا فقط، يجعل الكوكب مثاليًا للتحليل الطيفي للإرسال: وهي تقنية تتضمن قياس تأثيرات الترشيح والتشتت للغلاف الجوي للكوكب على ضوء النجوم.

راقب ويب نظام WASP-17 لمدة 10 ساعات تقريبًا، وجمع أكثر من 1275 قياسًا لسطوع ضوء الأشعة تحت الحمراء المتوسطة من 5 إلى 12 ميكرون أثناء عبور الكوكب لنجمه. ومن خلال طرح سطوع الأطوال الموجية الفردية للضوء التي وصلت إلى التلسكوب عندما كان الكوكب أمام النجم من تلك الخاصة بالنجم بمفرده، تمكن الفريق من حساب مقدار كل طول موجي يحجبه الغلاف الجوي للكوكب.

ما ظهر كان عبارة عن “نتوء” غير متوقع عند 8.6 ميكرون، وهي ميزة لم تكن متوقعة إذا كانت السحب مصنوعة من سيليكات المغنيسيوم أو غيرها من الهباء الجوي المحتمل ذو درجة الحرارة العالية مثل أكسيد الألومنيوم، ولكنها تبدو منطقية تمامًا إذا كانت مصنوعة من الكوارتز.

البلورات والغيوم والرياح

في حين أن هذه البلورات ربما تكون مشابهة في الشكل للمنشورات السداسية المدببة الموجودة في الجيود ومحلات الأحجار الكريمة على الأرض، فإن كل واحدة منها يبلغ عرضها حوالي 10 نانومتر فقط – جزء من مليون من سنتيمتر واحد.

“لعبت بيانات هابل في الواقع دورًا رئيسيًا في تحديد حجم هذه الجسيمات”، أوضحت نيكول لويس، المؤلفة المشاركة من جامعة كورنيل، والتي تقود برنامج ويب للمراقبة الزمنية المضمونة (GTO) المصمم للمساعدة في بناء رؤية ثلاثية الأبعاد لكواكب ساخنة. جو كوكب المشتري. “نحن نعلم بوجود السيليكا من بيانات MIRI الخاصة بـ Webb وحدها، ولكننا كنا بحاجة إلى الملاحظات المرئية والأشعة تحت الحمراء القريبة من Hubble من أجل السياق، لمعرفة مدى حجم البلورات.”

على عكس الجزيئات المعدنية الموجودة في السحب على الأرض، فإن بلورات الكوارتز المكتشفة في سحب WASP-17 b لم يتم انتشالها من سطح صخري. وبدلا من ذلك، فإنها تنشأ في الغلاف الجوي نفسه. “WASP-17 b حار للغاية – حوالي 2700 درجة فهرنهايت (1500 درجة درجة مئوية) – والضغط حيث تتشكل بلورات الكوارتز عالياً في الغلاف الجوي لا يتجاوز حوالي واحد بالألف مما نختبره على سطح الأرض. “في هذه الظروف، يمكن أن تتشكل البلورات الصلبة مباشرة من الغاز، دون المرور بمرحلة سائلة أولا.”

إن فهم مكونات السحب أمر بالغ الأهمية لفهم الكوكب ككل. تتكون كواكب المشتري الساخنة مثل WASP-17 b بشكل أساسي من الهيدروجين والهيليوم، مع كميات صغيرة من الغازات الأخرى مثل بخار الماء (H₂O) وثاني أكسيد الكربون (CO₂). “إذا أخذنا بعين الاعتبار الأكسجين الموجود في هذه الغازات فقط، وأهملنا تضمين كل الأكسجين المحتجز في المعادن مثل الكوارتز (SiO)₂وأوضح ويكفورد، أننا سوف نقلل بشكل كبير من الوفرة الإجمالية. “تخبرنا بلورات السيليكا الجميلة هذه عن مخزون المواد المختلفة وكيف تجتمع جميعها معًا لتشكيل بيئة هذا الكوكب.”

من الصعب تحديد كمية الكوارتز الموجودة بالضبط، ومدى انتشار السحب. وقال جرانت: “من المحتمل أن تكون السحب موجودة على طول الفترة الانتقالية بين النهار والليل (الفاصل)، وهي المنطقة التي تستكشفها مراقباتنا”. نظرًا لأن الكوكب مقيد مديًا مع جانب نهاري حار جدًا وجانب ليلي أكثر برودة، فمن المحتمل أن تدور السحب حول الكوكب، ولكنها تتبخر عندما تصل إلى الجانب النهاري الأكثر حرارة. “من الممكن أن تحرك الرياح هذه الجزيئات الزجاجية الصغيرة بسرعة آلاف الأميال في الساعة.”

WASP-17 b هو واحد من ثلاثة كواكب استهدفها فريق علماء تلسكوب JWST للاستطلاع العميق للأجواء الخارجية للكواكب الخارجية باستخدام تحقيقات التحليل الطيفي متعدد الأدوات (DREAMS)، والتي تم تصميمها لجمع مجموعة شاملة من الملاحظات لممثل واحد من كل فئة رئيسية من الكواكب الخارجية. : كوكب المشتري حار، دافئ نبتونوكوكب صخري معتدل. تم إجراء ملاحظات MIRI لكوكب المشتري الساخن WASP-17 b كجزء من برنامج GTO 1353.

المرجع: “أحلام JWST-TST: غيوم الكوارتز في الغلاف الجوي لـ WASP-17b” بقلم ديفيد جرانت، نيكول ك. لويس، هانا ر. ويكفورد، ناتاشا إي. باتالها، آنا جليدين، جايش جويال، إيليجا مولينز، ريان ج. ماكدونالد ، إيرين إم ماي، سارة سيجر، كيفن بي ستيفنسون، جيف أ. فالنتي، تشانون فيشر، ليلي ألدرسون، ناتالي إتش ألين، كاليب آي كانياس، كنكول كولون، مارك كلامبين، نيستور إسبينوزا، أميلي جريسييه، جينغشنغ هوانغ، زيفان لين، دوجلاس لونج، دانا آر. لوي، ماريا بينيا غيريرو، سوكريت رانجان، كريستين س. سوتزن، دانييل فالنتين، جاي أندرسون، ويليام أو. بالمر، أندريا بيليني، كيلان كي دبليو هوش، جينس كاميرير، ماتيا ليبرالاتو، سي. مات ماونتن، مارشال دي بيرين، لوران بويو، إميلي ريكمان، إيزابيل ريبوليدو، سانجمو توني سون، رولاند بي فان دير ماريل، ولورا إل واتكينز، 16 أكتوبر 2023، رسائل مجلة الفيزياء الفلكية.
دوى: 10.3847/2041-8213/acfc3b

يعد تلسكوب جيمس ويب الفضائي المرصد الرائد لعلوم الفضاء في العالم. يعمل ويب على حل الألغاز في نظامنا الشمسي، ويتطلع إلى ما وراء العوالم البعيدة حول النجوم الأخرى، ويستكشف الهياكل والأصول الغامضة لكوننا ومكاننا فيه. ويب هو برنامج دولي تقوده وكالة ناسا مع شركائها وكالة الفضاء الأوروبية (ESA)وكالة الفضاء الأوروبية) ووكالة الفضاء الكندية.