韦伯太空望远镜发现自由行星的复杂大气层

自由漂浮且快速旋转的SIMP 0136搭建数千道红外线彩虹斑驳云层、热点和碳分子

NASA詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）观测的研究发现，自由飘浮的行星质量天体SIMP 0136比原认为变动态复杂。

以韦伯观测，科学家成功侦测到SIMP 0136大气层内云层变化、温度变化及碳化学成分变动。这项发现对了解类木行星的大气动力学至关重要，并为未来利用NASA南希·格雷斯·罗曼太空望远镜（预定2027年运行）直接成像系外行星做好准备。

SIMP 0136质量约木星13倍，距离地球仅20光年，位于银河系。虽然它是不环绕恒星运行的棕矮星，但是研究系外气象学（exo-meteorology）的理想目标，因为它是北半球天空中最亮的这类天体，且不受宿主恒星光线的干扰。由于自转周期仅2.4小时，使高效率观测成为可能。

概念图呈现SIMP 0136这颗孤立行星可能的外观，基于NASA詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）、哈勃（Hubble）、史匹哲（Spitzer）及多个地面望远镜的观测数据搭建。值得注意的是，这张图片是根据光谱数据推测的，韦伯望远镜并未直接拍摄到SIMP 0136实际形象。（Source：NASA/ESA/CSA/Joseph Olmsted (STScI)）

韦伯望远镜观测之前，SIMP 0136已通过地面望远镜与NASA哈勃（Hubble）及史匹哲（Spitzer）太空望远镜观测。以前研究显示亮度会变化，可能是因为旋转过程中云层进入与离开视线所致，但团队怀疑还有其他影响因素，如温度变化、化学反应，甚至极光活动。

为了探究SIMP 0136大气动态，团队用韦伯近红外光谱仪（NIRSpec）与中红外仪器（MIRI）观测红外线波段变化，共捕捉数千条红外线光谱。这些数据形成数百条详细的光变曲线，显示SIMP 0136不同波长亮度变化模式，揭示大气结构的复杂性。团队注意到有几种不同的光变曲线形状，任意时间内，某些波长更亮，其他波长变暗或根本没有变化，一定有许多因素会影响亮度变化。

这些光变曲线（light curves）显示了来自孤立行星SIMP 0136的近红外光不同波长（颜色）亮度变化，随着天体自转而变动。数据由韦伯望远镜的近红外光谱仪（NIRSpec）捕捉，2023年7月23日观测约3小时，总计获得5,726条光谱，每1.8秒记录一次。右侧的示意图展示了SIMP 0136大气可能的结构，其中不同颜色的箭头对应光变曲线中的特定波长，粗箭头代表较强（较亮）的光，细箭头代表较弱（较暗）的光。（Source：NASA/ESA/CSA/Joseph Olmsted (STScI)）

为了弄清楚SIMP 0136变化原因，研究团队使用大气模型来检验每种波长的光源自于大气中的哪个位置。他们发现不同波长的变化来自于不同的大气层深度，例如：一组波长源自于深层大气，那里含有由铁颗粒组成的斑驳云层；第二组来自较高的云层，由微小的硅酸盐颗粒构成，这两条光变曲线的变化都与云层的斑块有关；第三组波长源自极高海拔，此处的光谱变化主要与温度相关，亮点可能来自极光活动或深层热气体的上升。

有些光变曲线无法用云层或温度来解释，显示与大气碳化学相关的变化，可能有一氧化碳和二氧化碳粒子旋转与进出视野，或发生化学反应导致大气随着时间变化。这些结果表明，系外行星的大气化学可能因时间与区域不同而有变化，对于未来的系外行星研究极具参考价值。

（首图来源：Pixabay）