美國(guó)與歐洲科研團(tuán)隊(duì)利用詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)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(cè)”和“日落側(cè)”大氣性質(zhì)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(huì)在不同經(jīng)度上劇烈變化。相關(guān)成果由德國(guó)海德堡馬克斯·普朗克天文學(xué)研究所（MPIA）牽頭完成，并發(fā)表在《自然·天文》期刊上。

研究團(tuán)隊(duì)由 MPIA 博士生 Cyril Gapp 領(lǐng)銜，利用 JWST 在行星凌星期間獲取的紅外光譜，對(duì) WASP-121 b 大氣的溫度結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分進(jìn)行了精細(xì)分析。當(dāng)行星從我們視線前方經(jīng)過其母星時(shí)，部分恒星光會(huì)穿過行星大氣，再到達(dá)望遠(yuǎn)鏡，光譜中不同波長(zhǎng)的吸收變化記錄了大氣中氣體成分及溫度的信息。團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在凌星開始與結(jié)束階段，行星大氣對(duì)紅外光的吸收程度存在明顯不對(duì)稱，這一不平衡指向行星“早晨”和“傍晚”終止線兩側(cè)大氣條件的巨大差異。

數(shù)據(jù)分析顯示，行星日落一側(cè)（傍晚終止線）吸收的恒星光明顯多于日出一側(cè)，這與理論預(yù)測(cè)的大尺度高空高速風(fēng)模式高度吻合。已有模型認(rèn)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(dǎo)風(fēng)系隨行星自轉(zhuǎn)向東流動(dòng)，從而更強(qiáng)烈地加熱傍晚一側(cè)大氣。溫度升高導(dǎo)致這一地區(qū)的大氣層膨脹，使得在光學(xué)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(cè)還顯示，在凌星后半段，碳一氧化物（CO）吸收信號(hào)增強(qiáng)，同時(shí)系統(tǒng)整體亮度略有下降。研究人員指出，這一 CO 信號(hào)增強(qiáng)主要反映的是溫度結(jié)構(gòu)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(shí)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(tuán)，這為強(qiáng)風(fēng)加熱傍晚終止線提供了進(jìn)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(zhuǎn)已經(jīng)被潮汐力鎖定，自轉(zhuǎn)周期與公轉(zhuǎn)周期同步，均約為 30 小時(shí)，因此始終以同一面對(duì)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(gè)恒星直徑，行星從進(jìn)入到離開恒星盤面期間本身會(huì)旋轉(zhuǎn)約 30 度，這使得望遠(yuǎn)鏡得以在一次凌星中，依次“掃過”不同經(jīng)度的大氣區(qū)域。

在觀測(cè)幾何上，凌星前半段主要看到的是靠近清晨一側(cè)的夜面與部分晝面“晨弧”，而凌星后半段則轉(zhuǎn)向傍晚一側(cè)的夜面與“暮弧”。天文學(xué)家通過光譜儀將接收到的光拆分成不同波長(zhǎng)，就像棱鏡將白光分解成彩虹一樣，不同氣體會(huì)在特定波段留下吸收特征，從而暴露出大氣中的化學(xué)成分構(gòu)成。本次研究的關(guān)鍵在于，團(tuán)隊(duì)并未像傳統(tǒng)做法那樣，把整次凌星數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單平均，而是允許光譜信號(hào)隨時(shí)間變化，再通過統(tǒng)計(jì)分析還原出隨經(jīng)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(zhuǎn)過 30 度，這已經(jīng)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(dāng)他們將時(shí)間分辨的光譜信號(hào)投影到經(jīng)度維度后發(fā)現(xiàn)，引入經(jīng)度不對(duì)稱的模型能顯著優(yōu)于對(duì)整次凌星一刀切平均的傳統(tǒng)模型，統(tǒng)計(jì)結(jié)果強(qiáng)勁支持“早晚兩側(cè)大氣確實(shí)不同”這一結(jié)論。

為了檢驗(yàn)溫度差異是否足以解釋觀測(cè)到的不對(duì)稱，團(tuán)隊(duì)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(yùn)過程。這些模型在總體趨勢(shì)上重現(xiàn)了由溫度梯度引發(fā)的非對(duì)稱吸收特征，但模擬信號(hào)的強(qiáng)度仍低于實(shí)際觀測(cè)值，這暗示在行星早晨一側(cè)可能存在額外的冷卻機(jī)制。研究人員提出的一種可能解釋是“礦物云”：此前有研究認(rèn)為，WASP-121 b 上可能存在由硅酸鹽等礦物構(gòu)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(cè)到的高層大氣看起來比真實(shí)溫度更冷。然而，在高速風(fēng)、劇烈溫差和持續(xù)強(qiáng)輻射作用下，云粒的形成、冷凝、蒸發(fā)與輸運(yùn)過程極其復(fù)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(xì)節(jié)。在本項(xiàng)研究中，科研人員對(duì)模型進(jìn)行了修正，以簡(jiǎn)化方式加入云對(duì)紅外輻射的遮蔽效應(yīng)后，模擬結(jié)果與 JWST 觀測(cè)之間的吻合顯著提升，但他們也強(qiáng)調(diào)，要最終確認(rèn) WASP-121 b 上礦物云的存在仍需更先進(jìn)的模型與更多觀測(cè)配合。

這項(xiàng)工作不僅揭示了 WASP-121 b 自身大氣的經(jīng)度差異，也展示了一種探索極端系外行星大氣結(jié)構(gòu)的新方法。隨著大氣環(huán)流與輻射傳輸模型進(jìn)一步改進(jìn)，科研人員有望利用同樣的“旋轉(zhuǎn)凌星”技術(shù)，在更多超熱氣體巨行星上繪制出類似的經(jīng)向大氣剖面。研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)選出了一批在溫度范圍、自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)周期等參數(shù)上適合開展類似觀測(cè)的目標(biāo)行星，未來通過系統(tǒng)性比較，有望回答這些極端行星在經(jīng)度方向上是否存在某種共性模式，以及不同物理?xiàng)l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(cè)數(shù)據(jù)來自多個(gè)項(xiàng)目，其中包括由 Thomas Evans-Soma 負(fù)責(zé)的常規(guī)觀測(cè)項(xiàng)目 GO #1729（“超熱行星 WASP-121b 的 NIRSpec 相位曲線”）以及由 David Lafreniere 負(fù)責(zé)的保留觀測(cè)項(xiàng)目 GTO #1201（“凌星系外行星大氣多樣性的 NIRISS 勘測(cè)”）。NIRSpec 儀器由歐洲航天局（ESA）委托歐洲工業(yè)界研制，以德國(guó)奧托布倫的空中客車防務(wù)與航天公司為主承包方，MPIA 參與了濾光輪與光柵輪等關(guān)鍵組件的研制，探測(cè)器與微型光闌陣列系統(tǒng)則由美國(guó)航天局戈達(dá)德太空飛行中心提供。

詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡是目前全球最重要的太空天文觀測(cè)設(shè)施之一，由美國(guó)航天局（NASA）、歐洲航天局（ESA）和加拿大航天局（CSA）聯(lián)合運(yùn)行，致力于從系外行星大氣到宇宙早期星系在內(nèi)的多領(lǐng)域前沿科學(xué)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(xì)微差異，正在幫助科學(xué)家拓展對(duì)行星氣候與大氣動(dòng)力學(xué)的認(rèn)識(shí)，也為未來尋找和評(píng)估更多遙遠(yuǎn)世界的環(huán)境條件提供了新的工具。