5000英里时速炽热的风：韦伯给极端系外行星WASP-43b绘制天气地图

WASP-43b的夜晚多云，白天晴朗，赤道风以每小时5000英里的速度呼啸着环绕着这颗行星。

有时候，找不到和找到一样令人兴奋和有用。以热木星WASP-43b为例。这个被潮汐锁住的世界有一个灼热的、永久的白天和一个稍微凉爽的夜晚。天文学家使用韦伯太空望远镜绘制温度图并分析该行星周围的大气，希望在其背面探测到甲烷，这是一种常见的碳分子。但显然没有迹象表明这一点。为什么呢？结果表明，热气体的超音速风从日面吹来，彻底搅动了大气，阻止了原本会在夜晚产生甲烷的化学反应。

韦伯太空望远镜绘制280光年外行星的天气图

一个国际研究小组成功地利用美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜绘制了热气体巨行星WASP-43b的天气图。

通过广泛的中红外光光谱进行精确的亮度测量，结合3D气候模型和以前其他望远镜的观测结果，表明存在厚厚的高云覆盖在夜侧，晴朗的天空在白天，以及每小时5000英里以上的赤道风混合了行星周围的大气气体。

这项调查只是系外行星科学的最新展示，现在韦伯拥有非凡的能力，可以测量温度变化，探测数万亿英里外的大气气体。

潮汐锁定的“热木星”

WASP-43b是一颗“热木星”类型的系外行星：大小与木星相似，主要由氢和氦组成，比我们太阳系中的任何一颗巨行星都要热得多。尽管WASP-43 b的恒星比太阳小，温度也比太阳低，但它的轨道距离只有130万英里，不到水星到太阳距离的1/25。

在如此紧密的轨道上，这颗行星被潮汐锁定，一面持续发光，另一面永远处于黑暗中。虽然夜面从未接收到来自恒星的任何直接辐射，但强烈的东风将热量从日面传送过来。

自2011年发现WASP-43 b以来，许多望远镜都对其进行了观测，包括美国宇航局的哈勃望远镜和现已退役的斯皮策太空望远镜。

“通过哈勃望远镜，我们可以清楚地看到白天有水蒸气。哈勃和斯皮策都认为夜侧可能有云，”湾区环境研究所的研究员泰勒·贝尔解释说，他是4月30日发表在《自然天文学》上的一项研究的主要作者。“但我们需要韦伯进行更精确的测量，才能真正开始绘制地球周围的温度、云层、风和更详细的大气成分。”

绘制温度和推断天气

虽然WASP-43 b太小，太暗，离恒星太近，望远镜无法直接观测，但它的轨道周期只有19.5小时，这使得它成为相位曲线光谱的理想选择。相位曲线光谱是一种测量行星绕恒星运行时恒星-行星系统亮度微小变化的技术。

由于一个物体发出的中红外光的数量在很大程度上取决于它的温度，韦伯捕捉到的亮度数据可以用来计算行星的温度。

研究小组使用韦伯的中红外仪器（MIRI），每10秒测量一次WASP-43系统发出的光，持续时间超过24小时。贝尔解释说：“通过对整个轨道的观察，我们能够计算出行星旋转进入视野时不同侧面的温度。由此，我们可以构建一个全球温度的粗略地图。”

测量结果显示，白天的平均温度接近2300华氏度（1250摄氏度），足以锻造铁。与此同时，夜晚的温度在1100华氏度（600摄氏度）时明显较冷。这些数据还有助于定位行星上最热的点（“热点”），该点从接收到最多恒星辐射的点向东移动，恒星在行星的天空中最高。这种转变的发生，是因为超音速风将加热的空气向东移动。

来自英国莱斯特大学（University of Leicester）的合著者迈克尔·罗曼说：“我们能够以这种方式绘制温度图，这一事实真正证明了韦伯的灵敏度和稳定性。”

为了解释这张地图，研究小组使用了复杂的3D大气模型，就像那些用来了解地球上天气和气候的模型一样。分析表明，夜面可能被厚厚的云层覆盖，阻止了一些红外光逃逸到太空中。因此，夜面虽然很热，但看起来比没有云的时候更暗、更冷。

失踪的甲烷和大风

韦伯捕捉到的广谱中红外光，也使测量地球周围的水蒸气（H2O）和甲烷（CH4）的数量成为可能。来自英国开放大学的合著者乔安娜·巴斯托说：“韦伯给了我们一个机会，让我们确切地弄清楚我们看到的是哪些分子，并对其丰度进行了一些限制。”

光谱显示了行星的夜晚和白天都有水汽的清晰迹象，提供了关于云层有多厚以及它们在大气中延伸多高的额外信息。

令人惊讶的是，数据还显示大气中明显缺乏甲烷。虽然白天太热，甲烷不可能存在（大部分碳应该以一氧化碳的形式存在），但甲烷应该是稳定的，在较冷的夜晚可以检测到。

乔安娜·巴斯托解释道：“我们没有看到甲烷的事实告诉我们，WASP-43b的风速必须达到每小时5000英里左右。如果风把气体从白天的一面吹到夜晚的一面，然后再吹回来的速度足够快，那么就没有足够的时间，让预期的化学反应在夜晚的一面产生可检测到的甲烷。”

研究小组认为，由于这种由风驱动的混合，行星周围的大气化学成分是相同的，这从哈勃和斯皮策过去的研究中并不明显。

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