Случайное обнаружение одного из самых распространенных минералов на Земле редко заслуживает заголовка. Кварц встречается в пляжном песке, строительных камнях, жеодах и магазинах драгоценных камней по всему миру. Его плавят для производства стекла, очищают для создания кремниевых микрочипов и используют в часах, чтобы отсчитывать время.

Космический телескоп Джеймса Уэбба нашел нечто более необычное. Представьте себе кристаллы кварца, которые появляются буквально из воздуха. Туман из блестящих крупинок, настолько маленьких, что 10 000 из них могли бы уместиться в человеческом волосе. Стаи заостренных стеклянных наночастиц, которые мчатся через душную атмосферу раздутой газовой гигантской экзопланеты со скоростью тысяч километров в час.

"Мы были в восторге! — говорит Дэвид Грант, исследователь из Бристольского университета и первый автор статьи. — Благодаря Хабблу мы знали, что в атмосфере WASP-17 b должны быть аэрозоли — крошечные частицы, составляющие облака или дымку. Но мы не ожидали, что они состоят из кварца".

Силикаты (минералы, богатые кремнием и кислородом) составляют большую часть Земли и Луны, а также других каменистых объектов в нашей Солнечной системе, и чрезвычайно распространены по всей галактике. Но силикатные зерна, ранее обнаруженные в атмосферах экзопланет и коричневых карликов, по-видимому, состоят из богатых магнием силикатов, таких как оливин и пироксен, а не только из кварца, который представляет собой чистый SiO2.

Находка команды, в которую также входят ученые из Исследовательского центра Эймса и Центра космических полетов имени Годдарда, расширяет наше понимание того, как формируются и развиваются облака экзопланет. 

"Мы вполне ожидали увидеть силикаты магния, — говорит соавтор Ханна Уэйкфорд, также из Бристольского университета. — Но вместо этого мы видим, скорее всего, строительные блоки этих крошечных "зародышевых" частиц, необходимых для формирования более крупных силикатных зерен, которые мы обнаруживаем на холодных экзопланетах и ​​коричневых карликах".

Обнаружение тонких изменений

WASP-17 b, будучи более чем в семь раз объемнее, но по массе составляя менее половины Юпитера, является одной из крупнейших и самых "пухлых" известных экзопланет. Это, наряду с коротким периодом обращения всего в 3,7 земных дня, делает ее идеальной для трансмиссионной спектроскопии: метода, который включает в себя измерение эффектов фильтрации и рассеяния атмосферы планеты на звездном свете.

Уэбб наблюдал за системой WASP-17 в течение почти 10 часов, собрав более 1275 измерений яркости среднего инфракрасного света размером от 5 до 12 микрон, когда планета на одной линии со своим светилом. Вычтя яркость отдельных длин волн света, которые достигли телескопа, когда WASP-17 b находилась перед звездой, из яркости самой звезды, команда смогла вычислить, как много от каждой длины волны блокируется атмосферой.

В результате возникла неожиданная "выпуклость" размером 8,6 микрон, особенность, которую нельзя было бы ожидать, если бы облака состояли из силикатов магния или других возможных высокотемпературных аэрозолей, таких как оксид алюминия. С другой стороны это наблюдение объяснимо, если они состоят из кварца.

Кристаллы, облака и ветры

Хотя по форме эти кристаллы, вероятно, похожи на заостренные шестиугольные призмы, которые можно найти в жеодах и магазинах драгоценных камней на Земле, каждый из них имеет диаметр всего около 10 нанометров – одну миллионную долю сантиметра.

"Данные Хаббла на самом деле сыграли ключевую роль в ограничении размера этих частиц, — объяснила соавтор Николь Льюис из Корнельского университета, возглавляющая программу гарантированного времени наблюдения Уэбба (GTO), призванную помочь построить трехмерное изображение горячей атмосферы Юпитера. — Мы знаем о присутствии SiO2 только благодаря данным MIRI Уэбба, но нам нужны были видимые и ближние инфракрасные наблюдения Хаббла для контекста, чтобы выяснить, насколько велики кристаллы".

В отличие от минеральных частиц, обнаруженных в облаках на Земле, кристаллы кварца на WASP-17 b не поднимаются с каменистой поверхности. Вместо этого они возникают в самой атмосфере. "WASP-17 b чрезвычайно горячий — около 1500 градусов по Цельсию — и давление, при котором кристаллы кварца формируются высоко в атмосфере, составляет лишь одну тысячную от того, что мы испытываем на поверхности Земли, — объясняет Грант. — В этих условиях твердые кристаллы могут образовываться непосредственно из газа, минуя жидкую фазу".

Знание из чего состоят облака, имеет решающее значение для понимания планеты в целом. Горячие юпитеры, такие как WASP-17 b, состоят в основном из водорода и гелия с небольшим количеством других газов, таких как водяной пар (H2O) и углекислый газ (CO2). 

"Если мы будем учитывать только кислород, который находится в этих газах, и закроем глаза на весь кислород, заключенный в минералах, таких как кварц (SiO2), мы значительно недооценим его общее количество, — говорит Уэйкфорд. — Эти красивые кристаллы рассказывают нам о наличии различных материалов и о том, как все они собираются вместе, формируя окружающую среду этой планеты".

При этом определить, сколько именно кварца и насколько распространены аэрозоли на WASP - 17 b достаточно тяжело, говорят ученые. 

"Облака, вероятно, присутствуют вдоль линии перехода дня и ночи (терминатора) —  областью, которую мы исследуем в ходе своих наблюдений", — рассказывает Грант. Учитывая, что планета пребывает в приливном захвате, с очень горячей дневной и более прохладной ночной стороной, вполне вероятно, что облака циркулируют вокруг нее, но испаряются, когда достигают более горячей дневной стороны. По словам ученого, ветры могут перемещать крошечные стеклянные частицы со скоростью тысячи километров в час.

Исследование опубликовано в Astrophysical Journal Letters.