16. Oktober 2023:  JWST entdeckt Quarzkristalle in Exoplanet Wolke

Forscher haben mit dem James-Webb-Weltraumteleskop der NASA Hinweise auf Quarz-Nanokristalle in den Höhenwolken von WASP-17 b entdeckt,
einem heißen Jupiter-Exoplaneten 1.300 Lichtjahre von der Erde entfernt.
Der Nachweis, der mit MIRI (Webbs Mid-Infrared Instrument) einzigartig möglich war, markiert das erste Mal,
dass Siliziumoxidpartikel (SiO2) in der Atmosphäre eines Exoplaneten entdeckt wurden.


Quarz in den Wolken

„Wir waren begeistert!“ sagte David Grant, Forscher an der Universität Bristol im Vereinigten Königreich und Erstautor eines Artikels,
der heute in den Astrophysical Journal Letters veröffentlicht wird.
„Aus Hubble-Beobachtungen wussten wir, dass es in der Atmosphäre von WASP-17 b Aerosole, winzige Partikel,
die Wolken oder Dunst bilden, geben musste, aber wir hatten nicht erwartet, dass sie aus Quarz bestehen würden.“

Silikate (Silizium- und Sauerstoffreiche Mineralien) machen den Großteil der Erde und des Mondes sowie anderer Gesteinsobjekte in
unserem Sonnensystem aus und kommen in der gesamten Galaxie äußerst häufig vor.
Aber die Silikatkörner, die zuvor in der Atmosphäre von Exoplaneten und Braunen Zwergen entdeckt wurden,
scheinen aus Magnesium-reichen Silikaten wie Olivin und Pyroxen zu bestehen, nicht nur aus Quarz, also reinem SiO2.

Das Ergebnis dieses Teams, zu dem auch Forscher des Ames Research Center der NASA und des Goddard Space Flight Center der NASA gehören,
verleiht unserem Verständnis der Entstehung und Entwicklung von Exoplanetenwolken eine neue Dimension.
„Wir haben voll und ganz damit gerechnet, Magnesiumsilikate zu sehen“, sagte Co-Autorin Hannah Wakeford, ebenfalls von der University of Bristol.
„Aber was wir stattdessen sehen, sind wahrscheinlich die Bausteine ​​davon, die winzigen ‚Samen‘-Partikel, die zur Bildung der größeren Silikatkörner
benötigt werden, die wir in kühleren Exoplaneten und Braunen Zwergen entdecken.“


Subtile Variationen erkennen

Mit einem Volumen von mehr als dem Siebenfachen des Jupiter und einer Masse von weniger als der Hälfte des Jupiter ist WASP-17 b einer der
größten und schwächsten bekannten Exoplaneten.
Dies und seine kurze Umlaufzeit von nur 3,7 Erdentagen machen den Planeten ideal für die Transmissionsspektroskopie: eine Technik,
bei der die Filter- und Streueffekte der Planetenatmosphäre auf das Sternenlicht gemessen werden.

Webb beobachtete das WASP-17-System fast zehn Stunden lang und sammelte mehr als 1.275 Helligkeitsmessungen von 5 bis 12 Mikrometer Licht
im mittleren Infrarotbereich, als der Planet seinen Stern passierte.
Indem das Team die Helligkeit einzelner Lichtwellenlängen, die das Teleskop erreichten, als sich der Planet vor dem Stern befand,
von der Helligkeit des Sterns selbst abzog, konnte das Team die Menge jeder Wellenlänge berechnen, die von der Atmosphäre des Planeten blockiert wurde.

Was dabei herauskam, war eine unerwartete „Beule“ bei 8,6 Mikrometern, ein Merkmal, das nicht zu erwarten wäre,
wenn die Wolken aus Magnesiumsilikaten oder anderen möglichen Hochtemperaturaerosolen wie Aluminiumoxid bestünden,
das aber durchaus Sinn ergibt, wenn sie aus Quarz bestehen.


Bild: Transmissionsspektrum


Bild: NASA

Ein Transmissionsspektrum des Heißgas-Riesen-Exoplaneten WASP-17 b, aufgenommen vom Mid-Infrared Instrument (MIRI) am James Webb-Weltraumteleskop der NASA
vom 12. bis 13. März 2023, zeigt den ersten Hinweis auf Quarz (kristallines Siliziumdioxid, SiO2) im Weltraum Wolken eines Exoplaneten.
Dies ist das erste Mal, dass SiO2 auf einem Exoplaneten identifiziert wurde, und das erste Mal, dass eine bestimmte Wolkenart auf einem transitierenden Exoplaneten identifiziert wurde.
NASA, ESA, CSA und R. Crawford (STScI) Wissenschaft: Nikole Lewis (Cornell University), David Grant (University of Bristol), Hannah Wakeford (University of Bristol)

Kristalle, Wolken und Winde

Während diese Kristalle in ihrer Form wahrscheinlich den spitzen sechseckigen Prismen ähneln, die in Geoden und Edelsteingeschäften auf der Erde zu finden sind,
hat jeder einzelne nur einen Durchmesser von etwa 10 Nanometern also ein Millionstel eines Zentimeters.

„Hubble-Daten spielten tatsächlich eine Schlüsselrolle bei der Bestimmung der Größe dieser Partikel“, erklärte Co-Autorin Nikole Lewis von der Cornell University,
die das Webb Guaranteed Time Observation (GTO)-Programm leitet, das dabei helfen soll, eine dreidimensionale Ansicht eines heißen Himmels zu erstellen Jupiteratmosphäre.
„Allein aus den MIRI-Daten von Webb wissen wir, dass es Siliziumdioxid gibt, aber wir brauchten die sichtbaren und nahinfraroten Beobachtungen von Hubble für den Kontext,
um herauszufinden, wie groß die Kristalle sind.“

Im Gegensatz zu Mineralpartikeln, die in Wolken auf der Erde gefunden werden, werden die in den Wolken von WASP-17 b
entdeckten Quarzkristalle nicht von einer felsigen Oberfläche mitgerissen.
Stattdessen entstehen sie in der Atmosphäre selbst. „WASP-17 b ist extrem heiß – etwa 1.500 Grad Celsius (2.700 °F) – und der Druck dort,
wo sie sich hoch in der Atmosphäre bilden, beträgt nur etwa ein Tausendstel dessen, was wir auf der Erdoberfläche erleben“, erklärte Grant.
„Unter diesen Bedingungen können sich feste Kristalle direkt aus Gas bilden, ohne zuerst eine flüssige Phase zu durchlaufen.“

Um den Planeten als Ganzes zu verstehen, ist es wichtig zu verstehen, woraus die Wolken bestehen.
Heiße Jupiter wie WASP-17 b bestehen hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium sowie geringen Mengen anderer Gase wie Wasserdampf (H2O) und Kohlendioxid (CO2).
„Wenn wir nur den Sauerstoff berücksichtigen, der in diesen Gasen enthalten ist, und den gesamten in Mineralien wie Quarz (SiO2) eingeschlossenen Sauerstoff außer Acht lassen,
werden wir die Gesamthäufigkeit erheblich unterschätzen“, erklärte Wakeford.
„Diese wunderschönen Quarzkristalle erzählen uns vom Bestand verschiedener Materialien und wie sie alle zusammenwirken, um die Umwelt dieses Planeten zu formen.“

Es ist schwer zu bestimmen, wie viel Quarz es genau gibt und wie weit verbreitet die Wolken sind.
„Die Wolken sind wahrscheinlich entlang des Tag-Nacht-Übergangs (dem Terminator) vorhanden, dem Bereich, den unsere Beobachtungen untersuchen“, sagte Grant.
Da der Planet gezeitenabhängig ist und eine sehr heiße Tagseite und eine kühlere Nachtseite aufweist, ist es wahrscheinlich, dass die Wolken um den Planeten zirkulieren,
aber verdampfen, wenn sie die heißere Tagseite erreichen.
„Die Winde könnten diese winzigen Glaspartikel mit einer Geschwindigkeit von Tausenden von Meilen pro Stunde bewegen.“

WASP-17 b ist einer von drei Planeten, die im Rahmen der Deep Reconnaissance of Exoplanet Atmospheres using Multi-instrument
Spectroscopy (DREAMS)-Untersuchungen des JWST-Telescope Scientist Teams anvisiert werden.
Exoplaneten: ein heißer Jupiter, ein warmer Neptun und ein gemäßigter Gesteinsplanet.
Die MIRI-Beobachtungen des heißen Jupiter WASP-17 b wurden im Rahmen des GTO-Programms 1353 durchgeführt.

Das James-Webb-Weltraumteleskop ist das weltweit führende Weltraumobservatorium.
Webb löst Rätsel in unserem Sonnensystem, blickt über die fernen Welten um andere Sterne hinaus und erforscht die mysteriösen Strukturen und Ursprünge
unseres Universums und unseren Platz darin.
Webb ist ein internationales Programm, das von der NASA mit ihren Partnern ESA (European Space Agency) und der Canadian Space Agency geleitet wird.