詹姆斯·韋伯望遠鏡發現系外行星“晝夜交界”的大氣差異

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 上發現其“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之一，表明行星晝夜交界地帶（終止線區域）的環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。團隊發現，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。

數據分析顯示，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。

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，團隊并未像傳統做法那樣，把整次凌星數據簡單平均，而是允許光譜信號隨時間變化，再通過統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，這已經足以在數據上清晰地區分“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現，引入經度不對稱的模型能顯著優于對整次凌星一刀切平均的傳統模型，統計結果強勁支持“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了由溫度梯度引發的非對稱吸收特征，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、劇烈溫差和持續強輻射作用下，云粒的形成、冷凝、蒸發與輸運過程極其復雜，目前多數大氣數值模型尚不能完整納入這些微觀物理細節。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上適合開展類似觀測的目標行星，未來通過系統性比較，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境。

根據論文介紹，本次研究使用的 JWST 觀測數據來自多個項目，其中包括由 Thomas Evans-Soma 負責的常規觀測項目 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境條件提供了新的工具。