美國國家航空暨太空總署（NASA）詹姆斯-韋伯太空望遠鏡（James Webb Space Telescope）的研究人員在距離地球1300光年的熱木星系外行星WASP-17 b的高空雲層中探測到了石英奈米晶體的證據。這項探測是透過韋伯中紅外線探測器（MIRI）實現的，標誌著首次在系外行星大氣中發現二氧化矽（SiO2）顆粒。

這幅藝術家的概念圖展示了系外行星WASP-17 b的模樣。WASP-17 b，又稱為Ditsö̀，是一顆炙熱的氣體巨行星，它繞恆星運行的距離僅為0.051 AU（約475 萬英里，相當於水星與太陽之間距離的八分之一），大約在3.7 個地球日內完成一個完整的環繞。該系統位於銀河系內距離地球約1300 光年的天蠍座。WASP-17 b的體積是木星的七倍多，質量卻不到木星的二分之一，是一顆非常膨大的行星。它的軌道周期短、體積大、大氣層厚且延展，非常適合使用透射光譜法進行觀測，即測量行星大氣層對透過它的星光的影響。資料來源：NASA、ESA、CSA、拉爾夫-克勞福德（STScI）

英國布里斯託大學研究員、今天（10 月16 日）發表在《天文物理學期刊通訊》上的論文的第一作者大衛-格蘭特（David Grant）說：”我們非常興奮！我們從哈勃觀測中知道，WASP-17 b的大氣層中一定存在氣溶膠–構成雲層或霧霾的微小顆粒，但我們沒想到它們是由石英構成的。”

2023年3月12-13日，MIRI（韋伯中紅外線儀器）拍攝的系外行星WASP-17 b的透射光譜首次揭示了系外行星雲層中存在石英（結晶二氧化矽，SiO2）的證據。

此光譜是透過測量該行星穿越其恆星時28個波段的中紅外光的亮度變化而得到的。韋伯使用MIRI 的低解析度光譜儀對WASP-17 系統進行了近10 個小時的觀測，在凌日之前、期間和之後收集了超過1275 次測量數據。

對於每個波長，透過從恆星最初發出的光量中減去穿過大氣層的光量，計算出被行星大氣層阻擋的光量（白色圓圈）。

紫色實線是韋伯（MIRI）、哈伯和史匹策資料的最佳擬合模型。(哈伯和史匹策的數據涵蓋了0.34 到4.5 微米的波長，沒有在圖中顯示）。光譜顯示在8.6 微米附近有一個明顯的特徵，天文學家認為這是二氧化矽顆粒吸收了部分穿過大氣層的星光造成的。

黃色虛線顯示的是如果WASP-17 b 大氣層中的雲層不含有二氧化矽，透射光譜的這一部分會是什麼樣子。

這是首次在系外行星中發現二氧化矽，也是首次在凌日系外行星中發現任何特定的雲層種類。

資料來源：NASA、ESA、CSA、Ralf Crawford（STScI）、David Grant（布里斯託大學）、Hannah R. Wakeford（布里斯託大學）、Nikole Lewis（康乃爾大學）

矽酸鹽（富含矽和氧的礦物）是地球和月球以及太陽系中其他岩石天體的主要成分，在整個銀河系中也極為常見。但先前在系外行星和褐矮星大氣中探測到的矽酸鹽顆粒似乎是由橄欖石和輝石等富含鎂的矽酸鹽組成的，而不僅僅是石英–純粹的二氧化矽。

研究小組的成員還包括來自美國太空總署艾姆斯研究中心和美國太空總署戈達德太空飛行中心的研究人員，他們的研究成果為我們了解系外行星雲的形成和演化過程提供了新的思路。同樣來自布里斯託大學的合著者漢娜-韋克福德（Hannah Wakeford）說：”我們完全有望看到矽酸鎂。但我們看到的很可能是這些物質的組成部分，是形成我們在較冷系外行星和褐矮星中探測到的較大矽酸鹽顆粒所需的微小’種子’顆粒。”

探測微妙變化

WASP-17 b的體積是木星的七倍多，質量不到木星的二分之一，是目前已知的最大、最膨鬆的系外行星之一。這一點再加上它只有3.7 個地球日的短軌道周期，使這顆行星成為透射光譜學的理想選擇：透射光譜學是一種測量行星大氣層對星光的過濾和散射效應的技術。

韋伯對WASP-17 系統進行了近10 個小時的觀測，在這顆行星劃過恆星時收集了超過1275 次5 至12 微米中紅外光的亮度測量數據。透過將行星在恆星前方時到達望遠鏡的各個波長的光亮度與恆星本身的光亮度相減，研究小組能夠計算出每個波長被行星大氣層阻擋的光量，結果發現在8.6微米處出現了一個意想不到的”凸起”，如果雲層是由矽酸鎂或其他可能的高溫氣溶膠（如氧化鋁）構成的，那麼這一特徵是意想不到的，但如果雲層是由石英構成的，那麼這一特徵就完全合理了。

晶體、雲和風

雖然這些晶體在形狀上可能與地球上的晶洞和寶石商店中發現的尖尖的六角棱柱相似，但每個晶體的直徑只有大約10 奈米，也就是一厘米的百萬分之一。

“哈伯數據實際上在確定這些顆粒的大小方面發揮了關鍵作用，”合著者之一、康奈爾大學的尼科爾-劉易斯解釋說，他領導的韋伯保證時間觀測（GTO）計劃旨在幫助建立熱木星大氣層的三維視圖。我們僅從韋伯的近紅外線成像數據中就知道存在二氧化矽，但我們需要哈伯的可見光和近紅外線成像數據作為背景，以弄清楚晶體有多大。”

與地球雲層中發現的礦物顆粒不同，WASP-17 b 雲層中探測到的石英晶體並不是從岩石表面被捲起的。相反，它們源自於大氣層本身。格蘭特解釋說：”WASP-17 b溫度極高–約2700華氏度（1500攝氏度）–在大氣高處形成石英晶體的壓力只有我們在地球表面所經歷的壓力的千分之一。在這種條件下，固態晶體可以直接從氣體中形成，而無需先經過液態階段。”

了解雲層是由什麼構成的，對於了解整個行星至關重要。像WASP-17 b這樣的熱木星主要由氫和氦組成，還有少量其他氣體，如水蒸氣（H2O）和二氧化碳（CO2）。韋克福德解釋說：「如果我們只考慮這些氣體中的氧，而忽略了石英（SiO2）等礦物中鎖住的所有氧，我們就會大大低估總豐度。這些美麗的二氧化矽晶體告訴我們不同物質的存量，以及它們如何共同塑造了這個星球的環境。”

究竟有多少石英，以及雲層的瀰漫程度如何都很難確定。格蘭特說：”雲層很可能出現在晝夜交替的地方（終結者），也就是我們的觀測所探查的區域。鑑於這顆行星被潮汐鎖定，白天很熱，夜晚較冷，雲層很可能在行星周圍循環，但當它們到達較熱的白天一側時就會蒸發。風可能會以每小時數千英里的速度將這些微小的玻璃狀顆粒帶走”。

WASP-17 b是JWST望遠鏡科學家小組利用多儀器光譜對系外行星大氣進行深度勘測（DREAMS）調查的三顆目標行星之一，該調查旨在收集系外行星每個關鍵類別中一顆代表行星的綜合觀測資料：熱木星、暖海王星和溫帶岩石行星。對熱木星WASP-17 b的近紅外線成像觀測是GTO 1353計畫的一部分。