美國與歐洲科研團隊利用詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST），在一顆超熱類木系外行星 WASP-121 b 上發(fā)現(xiàn)其“日出側”和“日落側”大氣性質存在顯著差異，這是迄今最清晰的證據(jù)之一，表明行星晝夜交界地帶（終止線區(qū)域）的環(huán)境會在不同經度上劇烈變化。相關成果由德國海德堡馬克斯·普朗克天文學研究所（MPIA）牽頭完成，并發(fā)表在《自然·天文》期刊上。

研究團隊由 MPIA 博士生 Cyril Gapp 領銜，利用 JWST 在行星凌星期間獲取的紅外光譜，對 WASP-121 b 大氣的溫度結構和化學成分進行了精細分析。當行星從我們視線前方經過其母星時，部分恒星光會穿過行星大氣，再到達望遠鏡，光譜中不同波長的吸收變化記錄了大氣中氣體成分及溫度的信息。團隊發(fā)現(xiàn)，在凌星開始與結束階段，行星大氣對紅外光的吸收程度存在明顯不對稱，這一不平衡指向行星“早晨”和“傍晚”終止線兩側大氣條件的巨大差異。

數(shù)據(jù)分析顯示，行星日落一側（傍晚終止線）吸收的恒星光明顯多于日出一側，這與理論預測的大尺度高空高速風模式高度吻合。已有模型認為，在這類超熱氣體巨行星上，熾熱的晝面向較冷的夜面輸送熱量，主導風系隨行星自轉向東流動，從而更強烈地加熱傍晚一側大氣。溫度升高導致這一地區(qū)的大氣層膨脹，使得在光學上等效“行星半徑”略大，因而吸收更多來自母星的輻射。

JWST 近紅外光譜儀（NIRSpec）的觀測還顯示，在凌星后半段，碳一氧化物（CO）吸收信號增強，同時系統(tǒng)整體亮度略有下降。研究人員指出，這一 CO 信號增強主要反映的是溫度結構變化，而不是碳一氧化物豐度本身增加。相比之下，水分子（H?O）則呈現(xiàn)出真實的含量減少跡象：溫度升高至足以在高層大氣中打斷水分子，將其裂解為更輕的原子或基團，這為強風加熱傍晚終止線提供了進一步證據(jù)。

WASP-121 b 是一顆極端的“熱木星”行星，其軌道與自轉已經被潮汐力鎖定，自轉周期與公轉周期同步，均約為 30 小時，因此始終以同一面對著母星，形成永晝與永夜兩半球。此前研究表明，該行星晝面平均溫度約為 2770 開爾文，夜面約為 1000 開爾文，換算為攝氏溫度，晝面接近 2500 攝氏度，而夜面約為 725 攝氏度。在凌星過程中，由于行星與恒星距離極近，僅約 1.9 個恒星直徑，行星從進入到離開恒星盤面期間本身會旋轉約 30 度，這使得望遠鏡得以在一次凌星中，依次“掃過”不同經度的大氣區(qū)域。

在觀測幾何上，凌星前半段主要看到的是靠近清晨一側的夜面與部分晝面“晨弧”，而凌星后半段則轉向傍晚一側的夜面與“暮弧”。天文學家通過光譜儀將接收到的光拆分成不同波長，就像棱鏡將白光分解成彩虹一樣，不同氣體會在特定波段留下吸收特征，從而暴露出大氣中的化學成分構成。本次研究的關鍵在于，團隊并未像傳統(tǒng)做法那樣，把整次凌星數(shù)據(jù)簡單平均，而是允許光譜信號隨時間變化，再通過統(tǒng)計分析還原出隨經度變化的大氣差異。

Cyril Gapp 和同事們指出，在 WASP-121 b 上，行星在完整凌星期間約轉過 30 度，這已經足以在數(shù)據(jù)上清晰地區(qū)分“晨線”和“暮線”兩條終止線。當他們將時間分辨的光譜信號投影到經度維度后發(fā)現(xiàn)，引入經度不對稱的模型能顯著優(yōu)于對整次凌星一刀切平均的傳統(tǒng)模型，統(tǒng)計結果強勁支持“早晚兩側大氣確實不同”這一結論。

為了檢驗溫度差異是否足以解釋觀測到的不對稱，團隊利用三維大氣環(huán)流模型模擬這顆氣體巨行星高層大氣中的熱量輸運過程。這些模型在總體趨勢上重現(xiàn)了由溫度梯度引發(fā)的非對稱吸收特征，但模擬信號的強度仍低于實際觀測值，這暗示在行星早晨一側可能存在額外的冷卻機制。研究人員提出的一種可能解釋是“礦物云”：此前有研究認為，WASP-121 b 上可能存在由硅酸鹽等礦物構成的云層，它們并非水滴云，而是在高溫下形成的礦物微粒云。

這類礦物云能夠阻擋來自更深、更熱大氣層的紅外輻射，從而使觀測到的高層大氣看起來比真實溫度更冷。然而，在高速風、劇烈溫差和持續(xù)強輻射作用下，云粒的形成、冷凝、蒸發(fā)與輸運過程極其復雜，目前多數(shù)大氣數(shù)值模型尚不能完整納入這些微觀物理細節(jié)。在本項研究中，科研人員對模型進行了修正，以簡化方式加入云對紅外輻射的遮蔽效應后，模擬結果與 JWST 觀測之間的吻合顯著提升，但他們也強調，要最終確認 WASP-121 b 上礦物云的存在仍需更先進的模型與更多觀測配合。

這項工作不僅揭示了 WASP-121 b 自身大氣的經度差異，也展示了一種探索極端系外行星大氣結構的新方法。隨著大氣環(huán)流與輻射傳輸模型進一步改進，科研人員有望利用同樣的“旋轉凌星”技術，在更多超熱氣體巨行星上繪制出類似的經向大氣剖面。研究團隊已經選出了一批在溫度范圍、自轉與公轉周期等參數(shù)上適合開展類似觀測的目標行星，未來通過系統(tǒng)性比較，有望回答這些極端行星在經度方向上是否存在某種共性模式，以及不同物理條件如何塑造它們的大氣環(huán)境。

根據(jù)論文介紹，本次研究使用的 JWST 觀測數(shù)據(jù)來自多個項目，其中包括由 Thomas Evans-Soma 負責的常規(guī)觀測項目 GO #1729（“超熱行星 WASP-121b 的 NIRSpec 相位曲線”）以及由 David Lafreniere 負責的保留觀測項目 GTO #1201（“凌星系外行星大氣多樣性的 NIRISS 勘測”）。NIRSpec 儀器由歐洲航天局（ESA）委托歐洲工業(yè)界研制，以德國奧托布倫的空中客車防務與航天公司為主承包方，MPIA 參與了濾光輪與光柵輪等關鍵組件的研制，探測器與微型光闌陣列系統(tǒng)則由美國航天局戈達德太空飛行中心提供。

詹姆斯·韋伯太空望遠鏡是目前全球最重要的太空天文觀測設施之一，由美國航天局（NASA）、歐洲航天局（ESA）和加拿大航天局（CSA）聯(lián)合運行，致力于從系外行星大氣到宇宙早期星系在內的多領域前沿科學探索。在 WASP-121 b 這樣極端世界的“晝夜分界線”上捕捉到的這些細微差異，正在幫助科學家拓展對行星氣候與大氣動力學的認識，也為未來尋找和評估更多遙遠世界的環(huán)境條件提供了新的工具。