詹姆斯韦伯太空望远镜扫描了一颗超热木星的大气层

还记得天文学家在2009年发现“WASP-18b”吗？那是他们发现的迄今为止最不寻常的行星之一。它的质量是木星的十倍，它被潮汐锁定在它的类太阳恒星上，它可以在不到一个地球日的时间内完成了一次轨道运行，大约23小时。

现在，天文学家已经将詹姆斯韦伯太空望远镜（JWST）及其强大的 NIRSS 仪器对准了这颗超热的木星，并绘制了它非凡的大气层。

上图：这幅插图展示了WASP 18b，一颗炽热的超级木星，在不到一天的时间内绕其恒星运行。

自从发现“WASP-18b”以来，天文学家一直对它非常感兴趣。首先，它是巨大的。这颗行星的质量是木星的十倍，接近褐矮星的范围。它也非常热，白天的温度超过2750摄氏度（4900华氏度）。不仅如此，它很可能在未来一百万年的某个时候，螺旋着走向毁灭，与它的恒星相撞。

由于这些以及更多的原因，天文学家几乎都对它着迷。他们已经做了大量的努力来绘制这颗系外行星的大气层，并利用哈勃和斯皮策望远镜揭示了它的细节。但是，尽管这些太空望远镜功能强大，却无法收集到足够详细的数据，从而无法最终揭示其大气的特性。

现在，JWST正如火如荼地进行着，有人请求将其指向“WASP-18b”是不可避免的。天文学家中有谁会说不呢？

在一项新的研究中，由蒙特利尔大学的一名博士生领导的一个团队用JWST绘制了“WASP-19b”的大气层。他们使用了NIRISS仪器，这是加拿大对JWST的贡献之一。这篇论文的题目是《超热木星WASP-18b的宽带热发射光谱》。这篇文章发表在《自然》杂志上，主要作者是路易斯-菲利普·库伦布（Louis-Philippe Coulombe）。

研究人员在二次日食期间训练了韦伯的NIRISS（近红外成像仪和无缝隙光谱仪）。这是指行星从恒星后面经过，出现在恒星的另一边。仪器测量来自恒星和行星的光，然后在日食期间，他们扣除恒星的光，给出行星光谱的测量值。NIRISS的能力，为研究人员提供了行星大气的详细地图。

上图：NASA的这张信息图解释了凌日和日食如何揭示系外行星的信息。

在NIRISS的帮助下，研究人员绘制了该行星白天的温度梯度图。他们发现，这颗行星在明暗分界线附近的温度要低得多：比行星直接面对恒星的最热温度低约1000度。这表明，风不能有效地将热量传播到行星的黑夜。是什么阻止了这种情况的发生？

论文的合著者、亚利桑那大学萨根研究员梅根·曼斯菲尔德（Megan Mansfield）说：“JWST使我们比以往任何时候都更敏感地绘制出WASP-18b热巨星的详细地图。这是第一次用JWST绘制行星的地图，看到我们的模型预测的一些结果，比如，远离直接面向恒星的行星上的温度急剧下降，真的很令人兴奋！”

上图：这张图是WASP-18b大气层的热图。上面的面板显示了面对恒星的点是如何比其他经度更热的。在0度时，温度为3121 K，在-90度时为1744 K，在90度时温度为2009 K（2850 C、1470 C和1735 C）

令人惊讶的是，没有风在大气中移动并调节温度，这与大气阻力有关。

该研究的合著者、密歇根大学博士后研究员瑞安·查伦纳（Ryan Challener）说：“WASP-18b的亮度图显示缺乏东西向风，这与大气阻力模型匹配得最好。一种可能的解释是，这颗行星有很强的磁场，这将是一个令人兴奋的发现！”

上图：这项研究的数据有助于显示大气阻力是如何导致东西风缺乏热量传播的。图例显示了“拟合”，然后是四种不同的大气环流模型。其中两种模型，RM-GCM 20 G和SPARC/MITgcm？=103秒，具有较强的大气阻力，并且它们都比具有较小大气阻力的同行更好地匹配数据。

在我们的太阳系中，木星拥有最强的磁场。科学家们认为，在行星深处，靠近其奇怪的液态金属氢核的地方，旋转的导电材料产生了磁场。磁场非常强大，可以保护伽利略的三颗卫星不受太阳风的影响。它们还会产生永久的极光，并在这颗巨大的行星周围形成强大的辐射带。

但WASP-18b的质量是木星的十倍，我们有理由认为它的磁场更占优势。如果这颗行星的磁场导致了东西向风的缺乏，那么它可能会迫使风在北极上空向下移动。

研究人员还能够测量不同深度的大气温度。温度随着海拔的升高而升高，有时高达数百度。他们还在不同的深度发现了水蒸气。

在2700摄氏度的高温下，大部分水分子会被撕裂。JWST 能够发现剩余的水的事实，说明了它的超高灵敏度。

上图：该团队通过测量WASP-18 b在韦伯望远镜的NIRISS SOSS 0.85–2.8微米波长范围内发射的光量，获得了WASP-18的热发射光谱，捕获了该行星发射的总能量的65%。WASP-18b在这颗潮汐锁定的行星的白天非常热，以至于水分子会被蒸发。韦布直接观测到了该行星上的水蒸气，即使是相对少量的水蒸气也表明了韦伯的敏感性。

“因为这个光谱中的水特征非常微妙，所以在以前的观察中很难识别。”卡内基科学研究所的博士后、这项新研究的作者之一安贾利·皮耶特（Anjali Piette）说：“通过这些JWST的观测，终于看到了水的特征，这真是令人兴奋。”

实际上，JWST能够揭示更多关于这颗行星的信息，而不仅仅是它的温度梯度和水含量。研究人员发现，这颗行星的大气中含有氧化钒、氧化钛和氢化物（氢的负离子）。这些化学物质结合在一起，会使大气变得不透明。

所有这些发现都来自于 NIRISS 仅6个小时的观察。六个小时的 JWST 时间对天文学家来说是宝贵的，这就是研究人员所需要的。这不仅是因为JWST非常强大，而且还因为 WASP-18b 本身。

上图：一幅WASP-18b的艺术家插图。这幅插图暗示了南北风可能是大气热量分布的原因。

它距离我们只有400光年，从天文学的角度来看是相对较近的。它靠近它的恒星也有帮助，这颗行星就挤在它的恒星旁边。另外，WASP-18b非常巨大。事实上，它是大气研究中可触及的最大的行星之一。

这颗行星的大气特性也为它的起源提供了线索。比较行星和恒星之间的金属丰度和成分可以帮助解释行星的历史。WASP-18b 不可能在目前的位置形成。它一定是通过某种方式迁移到那里的。虽然，这项工作不能最终回答这个问题，但它确实告诉了我们关于这颗巨大行星形成的其他事情。

研究人员表示：“通过分析WASP-18b的光谱，我们不仅了解了它的大气中可以找到的各种分子，还了解了它的形成方式。从我们的观察中发现，WASP-18b的组成与其恒星的组成非常相似，这意味着，它很可能是由恒星诞生后不久存在的剩余气体形成的。这些结果非常有价值，可以清楚地了解像WASP-18b这样的奇怪行星是如何存在的，这些行星在我们的太阳系中没有对应的行星。”

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