从金属雨到咆哮的喷气流：天文学家完成外星大气层的首次3D观察

天文学家首次绘制了系外行星大气层的三维结构图，从而开启了探索外星世界的新途径。利用ESO的超大望远镜，他们发现了WASP-121b天空中携带铁和钛的极端风暴。 这颗行星的喷射流形成了一种前所未有的气候，狂暴的风暴席卷而来，就连太阳系中最狂野的飓风都显得有些温顺。

这些发现标志着我们在了解系外行星天气方面的一次重大飞跃，并预示着未来的望远镜可以揭示更多类似地球的世界。

系外行星WASP-121b的艺术效果图。 它只显示了系外行星的一部分，更详细地展示了其大气层的三个层次。 这些层被显示为切成两半的越来越大的球形外壳。 每一层都有不同的颜色。 泰洛斯的大气层分为三层，最底层是铁风，其次是非常快速的钠喷射流，最后是上层的氢风。 这种气候从未在任何行星上出现过。 图片来源：ESO/M. Kornmesser

天文学家首次绘制了一颗系外行星大气层的三维结构图，揭示了输送铁和钛等元素的强大风力。 研究人员利用欧洲南方天文台甚大望远镜（ESO's VLT）的全部四个望远镜单元，揭示了塑造这颗行星天空的复杂天气模式。 这一突破为更详细地研究遥远世界的大气成分和气候铺平了道路。

"这颗行星的大气层的行为方式挑战了我们对天气工作原理的理解--不仅是在地球上，在所有行星上都是如此。" 智利欧洲南方天文台（ESO）的研究员、该研究的第一作者茱莉亚-维多利亚-塞德尔（Julia Victoria Seidel）说："感觉就像科幻小说里的情节。"

这颗行星名叫WASP-121b（也叫泰洛斯），位于大约900光年外的木偶星座。 它是一颗超热木星，是一颗气态巨行星，紧紧地围绕着它的恒星运行，一年的运行时间只有 30 个地球小时。 这颗行星的一侧长期暴露在恒星之下，温度极高，而另一侧的温度则低得多。

研究小组现在已经探测到泰洛斯大气层的深处，并揭示了不同层次的明显风向，形成了大气层的三维结构图。 这是天文学家第一次能够如此深入细致地研究太阳系外一颗行星的大气层。

该图显示了系外行星泰洛斯（WASP-121b）大气层的结构和运动。 图中系外行星从上往下看，是它的一个极点。 这颗行星逆时针旋转，它总是以同一面朝向母恒星，因此行星的一半总是白天，另一半总是黑夜。当行星从母星前方穿过时，行星大气中的原子会吸收特定颜色或波长的恒星光线，这些光线可以用光谱仪测量。 天文学家可以根据这些数据--本例中使用的是欧洲南方天文台甚大望远镜上的 ESPRESSO 仪器--重建大气层中不同层的成分和速度。最深的一层是铁风，从恒星直射的行星点吹走。 在这一层之上，有一股非常快速的钠喷流，它的移动速度比行星自转的速度还要快。 当它从行星的早晨一侧移动到傍晚一侧时，这个喷流实际上会加速。 最后，还有一层氢风向外吹。 这个氢层与下面的钠喷流重叠。图片来源：ESO/M. Kornmesser

"我们的发现令人吃惊：喷射流使物质围绕行星赤道旋转，而大气低层的另一股气流则将气体从热的一侧输送到冷的一侧。 这种气候以前从未在任何行星上出现过。"塞德尔说，他同时也是法国蔚蓝海岸天文台下属拉格朗日实验室的研究员。 观测到的喷射流横跨半个地球，当它穿过泰洛斯的热面时，速度加快并在高空剧烈搅动大气层。相比之下，即使是太阳系中最强的飓风也显得平静。

为了揭示系外行星大气层的三维结构，研究小组使用了欧洲南方天文台 VLT 上的 ESPRESSO 仪器，将其四个大型望远镜单元的光线合并成一个信号。 VLT 的这种组合模式收集的光量是单个望远镜单元的四倍，可以揭示更模糊的细节。 通过观察这颗行星在其主恒星前的一次完整凌日，ESPRESSO 能够探测到多种化学元素的特征，从而探测到大气层的不同层次。

研究报告的合著者、美国巴尔的摩太空望远镜科学研究所的助理天文学家莱昂纳多-多斯桑托斯（Leonardo A. dos Santos）说："VLT使我们能够一举探测系外行星大气层的三个不同层。"

研究小组追踪了铁、钠和氢的运动，从而可以分别追踪到行星大气层深层、中层和浅层的风。"他补充说："这种观测对空间望远镜来说非常具有挑战性，凸显了系外行星地面观测的重要性。

这段动画展示了ESO甚大望远镜上的ESPRESSO仪器探测到的气态巨型系外行星泰洛斯（WASP-121b）的不同大气层。 泰洛斯的大气分为三层，最底层是铁风，其次是钠的快速喷射流，最后是氢风的上层。 资料来源：ESO/M. 科恩梅瑟钛隐藏的秘密

有趣的是，观测结果还揭示了喷流下方存在钛元素，发表在《天文学与天体物理学》（Astronomy and Astrophysics）上的配套研究也强调了这一点。 这是另一个惊喜，因为以前对这颗行星的观测显示没有这种元素，可能是因为它隐藏在大气深处。

瑞典隆德大学和欧洲南方天文台的博士生比比亚娜-普里诺斯（Bibiana Prinoth）说："我们能够在如此遥远的距离上研究一颗行星的化学构成和天气模式等细节，这确实令人震撼。"

不过，要揭示较小的类地行星的大气层，还需要更大的望远镜。 这些望远镜将包括目前正在智利阿塔卡马沙漠建造的欧洲南方天文台（ESO）的超大望远镜（ELT）及其ANDES仪器。"ELT将改变系外行星大气研究的游戏规则，"Prinoth说。"这次经历让我感觉我们即将发现我们现在只能梦寐以求的不可思议的东西"。

编译自/ScitechDaily