石英雨：硅雪包裹着热木星系外行星的炽热大气层

美国国家航空航天局（NASA）詹姆斯-韦伯太空望远镜（JamesWebbSpaceTelescope）的研究人员在距地球1300光年的热木星系外行星WASP-17b的高空云层中探测到了石英纳米晶体的证据。这一探测是通过韦伯中红外探测器（MIRI）实现的，标志着首次在系外行星大气中发现二氧化硅（SiO2）颗粒。

这幅艺术家的概念图展示了系外行星WASP-17b的模样。WASP-17b，又称Ditsö̀，是一颗炙热的气体巨行星，它绕恒星运行的距离仅为0.051AU（约475万英里，相当于水星与太阳之间距离的八分之一），大约在3.7个地球日内完成一个完整的环绕。该系统位于银河系内距离地球约1300光年的天蝎座。WASP-17b的体积是木星的七倍多，质量却不到木星的二分之一，是一颗非常膨大的行星。它的轨道周期短、体积大、大气层厚且延展，非常适合使用透射光谱法进行观测，即测量行星大气层对透过它的星光的影响。资料来源：NASA、ESA、CSA、拉尔夫-克劳福德（STScI）

英国布里斯托尔大学研究员、今天（10月16日）发表在《天体物理学期刊通讯》上的论文的第一作者大卫-格兰特（DavidGrant）说："我们非常激动！我们从哈勃观测中知道，WASP-17b的大气层中一定存在气溶胶--构成云层或雾霾的微小颗粒，但我们没想到它们是由石英构成的。"

2023年3月12-13日，MIRI（韦伯中红外仪器）拍摄到的系外行星WASP-17b的透射光谱首次揭示了系外行星云层中存在石英（结晶二氧化硅，SiO2）的证据。

该光谱是通过测量该行星穿越其恒星时28个波段的中红外光的亮度变化而得到的。韦伯使用MIRI的低分辨率光谱仪对WASP-17系统进行了近10个小时的观测，在凌日之前、期间和之后收集了超过1275次测量数据。

对于每个波长，通过从恒星最初发出的光量中减去穿过大气层的光量，计算出被行星大气层阻挡的光量（白色圆圈）。

紫色实线是韦伯（MIRI）、哈勃和斯皮策数据的最佳拟合模型。(哈勃和斯皮策的数据涵盖了0.34到4.5微米的波长，没有在图中显示）。光谱显示在8.6微米附近有一个明显的特征，天文学家认为这是二氧化硅颗粒吸收了部分穿过大气层的星光造成的。

黄色虚线显示的是如果WASP-17b大气层中的云层不含有二氧化硅，透射光谱的这一部分会是什么样子。

这是首次在系外行星中发现二氧化硅，也是首次在凌日系外行星中发现任何特定的云层种类。

资料来源：NASA、ESA、CSA、RalfCrawford（STScI）、DavidGrant（布里斯托尔大学）、HannahR.Wakeford（布里斯托尔大学）、NikoleLewis（康奈尔大学）

硅酸盐（富含硅和氧的矿物）是地球和月球以及太阳系中其他岩石天体的主要成分，在整个银河系中也极为常见。但之前在系外行星和褐矮星大气中探测到的硅酸盐颗粒似乎是由橄榄石和辉石等富含镁的硅酸盐组成的，而不仅仅是石英--纯粹的二氧化硅。

该研究小组的成员还包括来自美国宇航局艾姆斯研究中心和美国宇航局戈达德太空飞行中心的研究人员，他们的研究成果为我们了解系外行星云的形成和演化过程提供了新的思路。同样来自布里斯托尔大学的合著者汉娜-韦克福德（HannahWakeford）说："我们完全有望看到硅酸镁。但我们看到的很可能是这些物质的组成部分，是形成我们在较冷系外行星和褐矮星中探测到的较大硅酸盐颗粒所需的微小'种子'颗粒。"

探测微妙变化

WASP-17b的体积是木星的七倍多，质量不到木星的二分之一，是目前已知的最大、最膨松的系外行星之一。这一点再加上它只有3.7个地球日的短轨道周期，使这颗行星成为透射光谱学的理想选择：透射光谱学是一种测量行星大气层对星光的过滤和散射效应的技术。

韦伯对WASP-17系统进行了近10个小时的观测，在这颗行星划过恒星时收集了超过1275次5至12微米中红外光的亮度测量数据。通过将行星在恒星前方时到达望远镜的各个波长的光亮度与恒星本身的光亮度相减，研究小组能够计算出每个波长被行星大气层阻挡的光量，结果发现在8.6微米处出现了一个意想不到的"凸起"，如果云层是由硅酸镁或其他可能的高温气溶胶（如氧化铝）构成的，那么这一特征是意想不到的，但如果云层是由石英构成的，那么这一特征就完全合理了。

晶体、云和风

虽然这些晶体在形状上可能与地球上的晶洞和宝石商店中发现的尖尖的六角棱柱相似，但每个晶体的直径只有大约10纳米，也就是一厘米的百万分之一。

"哈勃数据实际上在确定这些颗粒的大小方面发挥了关键作用，"合著者之一、康奈尔大学的尼科尔-刘易斯解释说，他领导的韦伯保证时间观测（GTO）计划旨在帮助建立热木星大气层的三维视图。我们仅从韦伯的近红外成像数据中就知道存在二氧化硅，但我们需要哈勃的可见光和近红外观测数据作为背景，以弄清晶体有多大。"

与地球云层中发现的矿物颗粒不同，WASP-17b云层中探测到的石英晶体并不是从岩石表面被卷起的。相反，它们源自大气层本身。格兰特解释说："WASP-17b温度极高--约2700华氏度（1500摄氏度）--在大气高处形成石英晶体的压力只有我们在地球表面所经历的压力的千分之一。在这种条件下，固态晶体可以直接从气体中形成，而无需先经过液态阶段。"

了解云层是由什么构成的，对于了解整个行星至关重要。像WASP-17b这样的热木星主要由氢和氦组成，还有少量其他气体，如水蒸气（H2O）和二氧化碳（CO2）。韦克福德解释说："如果我们只考虑这些气体中的氧，而忽略了石英（SiO2）等矿物中锁住的所有氧，我们就会大大低估总丰度。这些美丽的二氧化硅晶体告诉我们不同物质的存量，以及它们如何共同塑造了这个星球的环境。"

究竟有多少石英，以及云层的弥漫程度如何都很难确定。格兰特说："云层很可能出现在昼夜交替的地方（终结者），也就是我们的观测所探查的区域。鉴于这颗行星被潮汐锁定，白天很热，夜晚较冷，云层很可能在行星周围循环，但当它们到达较热的白天一侧时就会蒸发。风可能会以每小时数千英里的速度将这些微小的玻璃状颗粒带走"。

WASP-17b是JWST望远镜科学家小组利用多仪器光谱对系外行星大气进行深度勘测（DREAMS）调查的三颗目标行星之一，该调查旨在收集系外行星每个关键类别中一颗代表行星的综合观测数据：热木星、暖海王星和温带岩石行星。对热木星WASP-17b的近红外成像观测是GTO1353计划的一部分。