石英云层：詹姆斯韦伯望远镜发现了一个气态系外行星的奇异大气
地球上最常见和最熟悉的矿物之一，石英，平时看来并不起眼。但是詹姆斯·韦伯太空望远镜却在热气巨星的云层中发现了微小的石英晶体。
石英在世界各地的沙滩、建筑石、晶洞和宝石店中随处可见。它可以被熔化成玻璃，提炼成硅微芯片，用于手表来保持时间。那么，NASA的詹姆斯·韦伯太空望远镜为什么对这一发现如此重视呢？原来，这些石英晶体是几乎从无到有地生成的。它们是一团闪闪发光的颗粒，小得令人难以置信，一根人类头发上可以横放1万个。这些尖锐、玻璃质的纳米颗粒以每小时数千英里的速度在膨胀的气态巨行星外星球的酷热大气中飞驰。
詹姆斯·韦伯太空望远镜利用其独特的能力，测量了恒星光受到这些晶体影响的极其微妙的变化——而且距离超过七百万亿英里。这为外行星大气的组成提供了关键信息，并揭示了它们的天气特征。
使用NASA的詹姆斯·韦伯太空望远镜的研究人员在距离地球1300光年的一个气态系外行星WASP-17 b的高空云层中检测到了石英纳米晶体的证据。这一检测是利用MIRI（Webb的中红外仪器）才有可能实现的，这也是第一次在外行星大气中发现二氧化硅（SiO2）颗粒。
“我们很兴奋！”英国布里斯托尔大学的研究人员、论文第一作者David Grant说。“我们从詹姆斯·韦伯太空望远镜的观测中知道，WASP-17 b的大气中一定存在气溶胶——构成云或雾霾的微小颗粒——但我们没想到它们是由石英制成的。”
硅酸盐（富含硅和氧的矿物）构成了地球和月球以及我们太阳系中其他岩石物体的主要部分，而且在银河系中也非常常见。但是之前在外行星和褐矮星大气中检测到的硅酸盐颗粒似乎是由富含镁的硅酸盐如橄榄石和辉石组成，而不是单纯由SiO2组成的石英——这是纯二氧化硅。
这个团队的结果，其中还包括来自NASA艾姆斯研究中心和NASA戈达德太空飞行中心的研究人员，为我们理解外行星云层如何形成和演化提供了一个新角度。“我们完全期待看到镁硅酸盐，”来自布里斯托尔大学、论文共同作者Hannah Wakeford说。“但我们看到的却可能是它们的构成元素，形成我们在更冷的外行星和褐矮星中检测到的较大硅酸盐颗粒所需的微小的‘种子’颗粒。”
WASP-17 b的体积是木星的七倍多，质量却不到木星的一半，是已知的最大和最膨胀的系外行星之一。这一点，加上它短暂的轨道周期（只有3.7个地球日），使得这颗行星非常适合进行透射光谱学：一种涉及测量行星大气对恒星光的滤波和散射效应的技术。
詹姆斯·韦伯太空望远镜观测了WASP-17系统近10个小时，收集了5至12微米中红外光的超过1275次亮度测量，当时行星正横穿它的恒星。通过从行星在恒星前方时到达望远镜的各个波长的光亮度中减去恒星本身的光亮度，该团队能够计算出行星大气阻挡了每个波长多少光。
结果出现了一个意想不到的“凸起”，位于8.6微米处，这是一个如果云层是由镁硅酸盐或其他可能的高温气溶胶如氧化铝制成的话，不会出现的特征，但如果它们是由石英制成的话，就完全说得通。
这个发现可以帮助我们更好地了解外行星的大气和云层的形成和演化。这表明WASP-17 b的大气中有一种特殊的化学过程，可以从气态直接生成固态的石英晶体，而不需要经过液态阶段。这可能与行星的极高温度和极低压力有关。
此外，这个发现还可以帮助我们更准确地估计外行星中不同元素的丰度。例如，如果我们只考虑大气中的氧气和水蒸气，而忽略了被锁定在石英等矿物中的氧气，我们就会低估外行星中氧元素的总量。这些美丽的石英晶体告诉我们不同材料的库存以及它们如何共同塑造这个行星的环境。