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不可思议的外星球!韦伯望远镜发现一个外星球存在永恒白昼与黑夜

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在银河系的遥远角落,数以千计的系外行星围绕各自恒星运转。

想要看清这些星球的大气模样,天文学家最依赖的手段就是凌日光谱法:当行星运行到恒星与地球之间时,捕捉穿过行星大气层的星光,通过吸收特征反推大气成分。

过去我们通常会把整个凌日过程的信号叠加平均,只能得到晨昏带大气的整体平均特征,这就像隔着雾气看一张模糊的全景照。



而最近,詹姆斯·韦伯太空望远镜凭借前所未有的精度,首次捕捉到了旋转凌日效应,借助行星自身的转动,清晰分辨出这颗超高温行星晨昏带上的大气经度差异,给大气拍出了带细节的特写。

该研究于2026年6月10日发表在《自然·天文学》上。



这次的研究对象是WASP-121 b,它是一颗典型的超高温木星,距离地球约850光年,半径约为木星的1.6倍,它距离宿主恒星很近,公转一圈仅需1.27天,与所有近距巨行星一样,它被潮汐力牢牢锁定:一面永远朝向恒星,承受数千度的炙烤;另一面永远背对星空,陷入永久寒夜。



极端的昼夜温差会在大气里掀起狂暴的风暴,而昼夜交界的晨昏地带,正是温度、化学成分变化最剧烈的区域。

过去用凌日光谱法研究大气,天文学家习惯把整个凌日过程的信号叠加,得到晨昏带的平均特征。

但很少有人留意:行星在凌日的短短几小时里,自身也在转动。

对于WASP-121 b这样的行星,一次凌日下来它会自转约25度——这个角度足以让观测到的大气区域,从凌日开始时的偏早晨一侧,慢慢切换到偏傍晚一侧。

如果两侧温度、成分不一样,凌日光变曲线就会出现不对称:后半段与前半段的行星视大小、光谱特征都会产生差异,这个效应早有理论预言,但信号过于微弱,从未被实际观测证实。

由德国马克斯·普朗克天文研究所的西里尔·加普领导的团队,用JWST的近红外光谱仪与近红外成像光谱仪,分别捕捉了WASP-121 b的两次凌日过程。



数据刚处理完成,研究人员就发现了反常:两次观测的光变曲线都呈现明显不对称,凌日后半段行星遮挡的星光更多,看起来比前半段更大。

团队首先排除了所有外界干扰。

宿主恒星WASP-121 A自转偏快,会出现重力变暗效应:赤道因离心力表面重力更低,温度和亮度都弱于两极,行星凌日时扫过不同亮度的恒星表面,也会造成曲线不对称。

团队结合TESS卫星的光学观测详细测算后确认,宿主恒星的重力变暗效应不足以解释韦伯观测到的不对称幅度。

在波长更短的近红外成像光谱仪数据中,重力变暗确实有一定贡献,但两个仪器都观测到了一致的一氧化碳信号增强,证明行星大气本身的变化才是核心原因;仪器本身的系统误差也被逐一排除。

更精细的光谱数据,直接揭开了两侧大气的化学成分差异。



随着凌日推进,一氧化碳的吸收信号持续增强,相对幅度约200ppm;而水分子的吸收信号却几乎没有增长,甚至略有减弱。

这个看似矛盾的现象,恰恰印证了傍晚侧大气温度更高的猜想。

大气温度越高,气体膨胀越明显,能遮挡的星光就越多,整体吸收都会变强——但前提是分子还能稳定存在。

对于水分子来说,超高温木星的昼侧温度足以将它拆解:在两三千度的环境中,水分子会发生热解离,拆分成氢原子与氧原子,自然失去了原本的吸收特征。

温度越高的区域,水分子越少,刚好抵消了大气膨胀带来的吸收增强。

而一氧化碳分子要稳定得多,哪怕昼侧的高温也很难破坏其结构。

所以随着温度更高的傍晚侧转入视野,大气膨胀让一氧化碳的吸收信号跟着明显变强,就连氧化硅的吸收也有轻微增强的迹象,只是它的吸收波段过窄,观测数据还不足以给出定论。

把这些线索拼接起来,一幅清晰的大气环流图景便浮现出来:WASP-121 b的昼侧东半部分温度比西半部分更高,对应的傍晚晨昏带温度梯度,比早晨晨昏带要强得多。



这与行星上的东风环流完全吻合:强劲的东风从昼侧正午区域吹向夜侧,把热量一路带到傍晚的交界线上,让黄昏侧的大气更热、更膨胀。

这个结论也和地面望远镜的观测形成了完美互补。

此前地面高分辨率光谱通过观测分子谱线的多普勒偏移,也发现了类似的不对称:一氧化碳谱线会随凌日逐渐蓝移,说明吸收信号主要来自朝着观测者转动的傍晚侧;而水分子的蓝移会逐渐减弱,说明它主要集中在转离观测者的早晨侧。

地面观测靠多普勒效应测风速,JWST靠吸收强度测成分与温度,两条完全不同的路径得到了一致结果,也让结论更加可靠。

研究团队用成熟的大气环流模型模拟了这颗行星的大气,模拟结果确实能复现傍晚侧视直径更大的整体趋势,但预测的不对称幅度比实际观测要小。



这个差距也给天文学家留下了新的线索。

一种可能是早晨晨昏带附近存在硅酸盐云层。

在从夜侧转向昼侧的早晨晨昏带附近,温度更低,硅酸盐等矿物质容易凝结形成云层,会降低该侧大气的有效标高,让早晨侧的视直径更小,从而拉大了与傍晚侧的差距。

现有的模型大多没有细致模拟云层的形成与分布,自然会低估不对称的幅度。

另一个原因是模型默认了与太阳一致的元素比例,但此前观测已经发现,WASP-121 b的碳氧比远高于太阳,化学成分的差异也会影响温度与吸收特征。

当研究人员手动调低早晨侧温度来模拟云层效果后,模拟结果立刻与观测贴近了很多。

这次发现最珍贵的价值,不只是搞清楚了WASP-121 b的大气细节,更在于验证了旋转凌日这种全新的观测方法。

过去研究系外行星大气的横向差异,大多需要地面高分辨率光谱仪通过多普勒效应测量;而旋转凌日方法让我们用空间望远镜的低分辨率透射光谱,就能拆解出晨昏带上的温度与化学成分的经度梯度,为系外行星大气研究提供了一把全新的标尺。



当然,这种方法目前还只适用于超高温木星这类极端行星:它们温度高、大气膨胀明显,自转带来的信号才足够强。

但团队已经梳理出一批适合观测的候选行星,比如WASP-33 b、KELT-9 b等。

这些行星的宿主恒星自转更快,重力变暗的干扰会更强,但只要结合多波段观测数据仔细校正,同样能挖掘出大气的经度信息。

随着JWST观测数据的积累与建模技术的进步,未来我们或许能给更多系外行星画出完整的大气地图。

从模糊的平均光谱,到清晰的经度差异,人类正在一步步把遥远的系外行星,从一个个光点,变成有具体面貌的真实世界。

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