詹姆斯·韦伯望远镜发现系外行星“昼夜交界”的大气差异

美国与欧洲科研团队利用詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST），在一颗超热类木系外行星 WASP-121 b 上发现其“日出侧”和“日落侧”大气性质存在显著差异，这是迄今最清晰的证据之一，表明行星昼夜交界地带（终止线区域）的环境会在不同经度上剧烈变化。相关成果由德国海德堡马克斯·普朗克天文学研究所（MPIA）牵头完成，并发表在《自然·天文》期刊上。

研究团队由 MPIA 博士生 Cyril Gapp 领衔，利用 JWST 在行星凌星期间获取的红外光谱，对 WASP-121 b 大气的温度结构和化学成分进行了精细分析。当行星从我们视线前方经过其母星时，部分恒星光会穿过行星大气，再到达望远镜，光谱中不同波长的吸收变化记录了大气中气体成分及温度的信息。团队发现，在凌星开始与结束阶段，行星大气对红外光的吸收程度存在明显不对称，这一不平衡指向行星“早晨”和“傍晚”终止线两侧大气条件的巨大差异。

数据分析显示，行星日落一侧（傍晚终止线）吸收的恒星光明显多于日出一侧，这与理论预测的大尺度高空高速风模式高度吻合。已有模型认为，在这类超热气体巨行星上，炽热的昼面向较冷的夜面输送热量，主导风系随行星自转向东流动，从而更强烈地加热傍晚一侧大气。温度升高导致这一地区的大气层膨胀，使得在光学上等效“行星半径”略大，因而吸收更多来自母星的辐射。

JWST 近红外光谱仪（NIRSpec）的观测还显示，在凌星后半段，碳一氧化物（CO）吸收信号增强，同时系统整体亮度略有下降。研究人员指出，这一 CO 信号增强主要反映的是温度结构变化，而不是碳一氧化物丰度本身增加。相比之下，水分子（H₂O）则呈现出真实的含量减少迹象：温度升高至足以在高层大气中打断水分子，将其裂解为更轻的原子或基团，这为强风加热傍晚终止线提供了进一步证据。

WASP-121 b 是一颗极端的“热木星”行星，其轨道与自转已经被潮汐力锁定，自转周期与公转周期同步，均约为 30 小时，因此始终以同一面对着母星，形成永昼与永夜两半球。此前研究表明，该行星昼面平均温度约为 2770 开尔文，夜面约为 1000 开尔文，换算为摄氏温度，昼面接近 2500 摄氏度，而夜面约为 725 摄氏度。在凌星过程中，由于行星与恒星距离极近，仅约 1.9 个恒星直径，行星从进入到离开恒星盘面期间本身会旋转约 30 度，这使得望远镜得以在一次凌星中，依次“扫过”不同经度的大气区域。

在观测几何上，凌星前半段主要看到的是靠近清晨一侧的夜面与部分昼面“晨弧”，而凌星后半段则转向傍晚一侧的夜面与“暮弧”。天文学家通过光谱仪将接收到的光拆分成不同波长，就像棱镜将白光分解成彩虹一样，不同气体会在特定波段留下吸收特征，从而暴露出大气中的化学成分构成。本次研究的关键在于，团队并未像传统做法那样，把整次凌星数据简单平均，而是允许光谱信号随时间变化，再通过统计分析还原出随经度变化的大气差异。

Cyril Gapp 和同事们指出，在 WASP-121 b 上，行星在完整凌星期间约转过 30 度，这已经足以在数据上清晰地区分“晨线”和“暮线”两条终止线。当他们将时间分辨的光谱信号投影到经度维度后发现，引入经度不对称的模型能显著优于对整次凌星一刀切平均的传统模型，统计结果强劲支持“早晚两侧大气确实不同”这一结论。

为了检验温度差异是否足以解释观测到的不对称，团队利用三维大气环流模型模拟这颗气体巨行星高层大气中的热量输运过程。这些模型在总体趋势上重现了由温度梯度引发的非对称吸收特征，但模拟信号的强度仍低于实际观测值，这暗示在行星早晨一侧可能存在额外的冷却机制。研究人员提出的一种可能解释是“矿物云”：此前有研究认为，WASP-121 b 上可能存在由硅酸盐等矿物构成的云层，它们并非水滴云，而是在高温下形成的矿物微粒云。

这类矿物云能够阻挡来自更深、更热大气层的红外辐射，从而使观测到的高层大气看起来比真实温度更冷。然而，在高速风、剧烈温差和持续强辐射作用下，云粒的形成、冷凝、蒸发与输运过程极其复杂，目前多数大气数值模型尚不能完整纳入这些微观物理细节。在本项研究中，科研人员对模型进行了修正，以简化方式加入云对红外辐射的遮蔽效应后，模拟结果与 JWST 观测之间的吻合显著提升，但他们也强调，要最终确认 WASP-121 b 上矿物云的存在仍需更先进的模型与更多观测配合。

这项工作不仅揭示了 WASP-121 b 自身大气的经度差异，也展示了一种探索极端系外行星大气结构的新方法。随着大气环流与辐射传输模型进一步改进，科研人员有望利用同样的“旋转凌星”技术，在更多超热气体巨行星上绘制出类似的经向大气剖面。研究团队已经选出了一批在温度范围、自转与公转周期等参数上适合开展类似观测的目标行星，未来通过系统性比较，有望回答这些极端行星在经度方向上是否存在某种共性模式，以及不同物理条件如何塑造它们的大气环境。

根据论文介绍，本次研究使用的 JWST 观测数据来自多个项目，其中包括由 Thomas Evans-Soma 负责的常规观测项目 GO #1729（“超热行星 WASP-121b 的 NIRSpec 相位曲线”）以及由 David Lafreniere 负责的保留观测项目 GTO #1201（“凌星系外行星大气多样性的 NIRISS 勘测”）。NIRSpec 仪器由欧洲航天局（ESA）委托欧洲工业界研制，以德国奥托布伦的空中客车防务与航天公司为主承包方，MPIA 参与了滤光轮与光栅轮等关键组件的研制，探测器与微型光阑阵列系统则由美国航天局戈达德太空飞行中心提供。

詹姆斯·韦伯太空望远镜是目前全球最重要的太空天文观测设施之一，由美国航天局（NASA）、欧洲航天局（ESA）和加拿大航天局（CSA）联合运行，致力于从系外行星大气到宇宙早期星系在内的多领域前沿科学探索。在 WASP-121 b 这样极端世界的“昼夜分界线”上捕捉到的这些细微差异，正在帮助科学家拓展对行星气候与大气动力学的认识，也为未来寻找和评估更多遥远世界的环境条件提供了新的工具。