Een glimp opvangen van een van de meest voorkomende en bekende mineralen op aarde verdient zelden een krantenkop. Kwarts is te vinden in strandzand, bouwstenen, geodes en edelsteenwinkels over de hele wereld. Het wordt gesmolten om glas te produceren, geraffineerd voor silicium microchips en gebruikt in horloges om de tijd bij te houden. Wat is er dan zo bijzonder aan de nieuwste ontdekking van NASA's James Webb Space Telescope? Stel je kwartskristallen voor die letterlijk uit de lucht komen vallen. Een mist van glinsterende korrels die zo klein zijn dat er 10.000 naast elkaar in een mensenhaar passen. Zwermen puntige, glasachtige nanodeeltjes die met duizenden kilometers per uur door de broeierige atmosfeer van een gezwollen gasreusachtige exoplaneet razen.
Onderzoekers van NASA's James Webb Space Telescope hebben bewijs gevonden voor kwarts nanokristallen in de hoge wolken van WASP-17 b, een hete Jupiter exoplaneet op 1300 lichtjaar van de aarde. De detectie, die uniek mogelijk was met MIRI (Webb's Mid-Infrarood Instrument), markeert de eerste keer dat silica (SiO2) deeltjes zijn waargenomen in de atmosfeer van een exoplaneet. "We waren dolblij!" zei David Grant, onderzoeker aan de Universiteit van Bristol in het Verenigd Koninkrijk en eerste auteur van een artikel dat vandaag wordt gepubliceerd in Astrophysical Journal Letters. "We wisten van Hubble-waarnemingen dat er aërosolen - kleine deeltjes die wolken of nevel vormen - in de atmosfeer van WASP-17 b moesten zitten, maar we hadden niet verwacht dat ze van kwarts zouden zijn gemaakt." Silicaten (mineralen rijk aan silicium en zuurstof) vormen het grootste deel van de Aarde en de Maan en andere rotsachtige objecten in ons zonnestelsel, en komen in het hele melkwegstelsel veel voor. Maar de silicaatkorrels die eerder zijn ontdekt in de atmosferen van exoplaneten en bruine dwergen lijken te zijn gemaakt van magnesiumrijke silicaten zoals olivijn en pyroxeen, niet van kwarts alleen, dat puur SiO2 is.
Het resultaat van dit team, waarin ook onderzoekers van NASA's Ames Research Center en NASA's Goddard Space Flight Center zitten, geeft een nieuwe draai aan ons begrip van hoe wolken van exoplaneten ontstaan en evolueren. "We hadden verwacht magnesiumsilicaten te zien," zegt co-auteur Hannah Wakeford, ook van de Universiteit van Bristol. "Maar wat we in plaats daarvan zien, zijn waarschijnlijk de bouwstenen daarvan, de kleine 'zaaddeeltjes' die nodig zijn om de grotere silicaatkorrels te vormen die we in koelere exoplaneten en bruine dwergen waarnemen."
Subtiele variaties detecteren
Met een volume van meer dan zeven keer dat van Jupiter en een massa van minder dan de helft van Jupiter is WASP-17 b een van de grootste en meest gezwollen exoplaneten die we kennen. Dit, samen met zijn korte omlooptijd van slechts 3,7 aarddagen, maakt de planeet ideaal voor transmissiespectroscopie: een techniek waarbij de filter- en verstrooiingseffecten van de atmosfeer van een planeet op sterlicht worden gemeten. Webb observeerde het WASP-17-systeem bijna 10 uur lang en verzamelde meer dan 1.275 helderheidsmetingen van 5- tot 12-micron midden-infrarood licht toen de planeet zijn ster kruiste. Door de helderheid van afzonderlijke golflengten van het licht dat de telescoop bereikte toen de planeet voor de ster stond af te trekken van die van de ster zelf, kon het team berekenen hoeveel van elke golflengte door de atmosfeer van de planeet werd geblokkeerd. Wat bleek was een onverwachte "hobbel" bij 8,6 micron, een eigenschap die niet verwacht zou worden als de wolken gemaakt waren van magnesiumsilicaten of andere mogelijke hoge-temperatuur aërosolen zoals aluminiumoxide, maar die heel logisch is als ze gemaakt zijn van kwarts.
Kristallen, wolken en wind
Hoewel deze kristallen waarschijnlijk qua vorm lijken op de puntige zeshoekige prisma's die te vinden zijn in geodes en edelsteenwinkels op aarde, is elk kristal slechts ongeveer 10 nanometer in doorsnee, een miljoenste van een centimeter. "De Hubble-gegevens speelden een sleutelrol bij het vaststellen van de grootte van deze deeltjes," vertelt co-auteur Nikole Lewis van de Cornell University, die leiding geeft aan het Webb Guaranteed Time Observation (GTO)-programma dat is opgezet om een driedimensionaal beeld van een hete Jupiteratmosfeer te krijgen. "We weten dat er siliciumdioxide is, alleen al uit de MIRI-gegevens van Webb, maar we hadden de zichtbare en nabij-infraroodwaarnemingen van Hubble nodig voor de context, om erachter te komen hoe groot de kristallen zijn." In tegenstelling tot minerale deeltjes in wolken op aarde, zijn de kwartskristallen in de wolken van WASP-17 b niet afkomstig van een rotsachtig oppervlak. In plaats daarvan zijn ze afkomstig uit de atmosfeer zelf. "WASP-17 b is extreem heet, ongeveer 1.500 graden Celsius, en de druk waar de kwartskristallen zich hoog in de atmosfeer vormen is slechts ongeveer een duizendste van wat we op het aardoppervlak ervaren," legt Grant uit.
"In deze omstandigheden kunnen vaste kristallen zich direct uit gas vormen, zonder eerst door een vloeibare fase te gaan." Begrijpen waar de wolken van gemaakt zijn, is cruciaal om de planeet als geheel te begrijpen. Hete Jupiters zoals WASP-17 b bestaan voornamelijk uit waterstof en helium, met kleine hoeveelheden andere gassen zoals waterdamp (H2O) en koolstofdioxide (CO2). "Als we alleen kijken naar de zuurstof die in deze gassen zit, en niet alle zuurstof meenemen die is opgesloten in mineralen zoals kwarts (SiO2), dan onderschatten we de totale overvloed aanzienlijk," legt Wakeford uit. "Deze prachtige silicakristallen vertellen ons over de inventaris van verschillende materialen en hoe ze allemaal samenkomen om de omgeving van deze planeet vorm te geven."
Hoeveel kwarts er precies is en hoe doordringend de wolken zijn, is moeilijk te bepalen. "De wolken zijn waarschijnlijk aanwezig langs de overgang tussen dag en nacht (de terminator), het gebied dat onze waarnemingen onderzoeken," zei Grant. Aangezien de planeet tidally locked is met een zeer hete dagkant en koelere nachtkant, is het waarschijnlijk dat de wolken rond de planeet circuleren, maar verdampen wanneer ze de hetere dagkant bereiken. "De winden kunnen deze kleine glasachtige deeltjes met duizenden kilometers per uur verplaatsen." WASP-17 b is een van de drie planeten waarop het Deep Reconnaissance of Exoplanet Atmospheres using Multi-instrument Spectroscopy (DREAMS) onderzoek van het JWST Telescope Scientist Team is gericht. Dit onderzoek is bedoeld om een uitgebreide set waarnemingen te verzamelen van één vertegenwoordiger uit elke belangrijke klasse van exoplaneten: een hete Jupiter, een warme Neptunus en een gematigde rotsachtige planeet. De MIRI-waarnemingen van hete Jupiter WASP-17 b zijn gedaan als onderdeel van GTO-programma 1353.
De James Webb Space Telescope is 's werelds belangrijkste observatorium voor ruimtewetenschap. Webb lost mysteries op in ons zonnestelsel, kijkt verder naar verre werelden rond andere sterren en onderzoekt de mysterieuze structuren en oorsprong van ons universum en onze plaats daarin. Webb is een internationaal programma dat wordt geleid door NASA met zijn partners ESA (European Space Agency) en het Canadese ruimteagentschap.
Bron: NASA
