美国宇航局韦伯太空望远镜调查遥远世界的永恒日出日落

晨昏圈近红外光谱分析证实早晚大气存在差异

使用美国宇航局詹姆斯·韦伯太空望远镜的研究人员终于证实了模型先前的预测：系外行星的永恒早晨和永恒夜晚大气层之间存在差异。WASP-39 b 是一颗巨行星，直径是木星的 1.3 倍，但质量与土星相似，绕着距离地球约 700 光年的恒星运行，被其母星潮汐锁定。这意味着它有一个恒定的白天和恒定的夜晚——行星的一侧始终暴露在恒星面前，而另一侧始终笼罩在黑暗之中。

天文学家利用韦伯的近红外光谱仪 (NIRSpec) 证实了 WASP-39 b 上永恒的早晨和永恒的夜晚之间存在温差，夜晚的温度似乎高出约 300 华氏度 (约 200 摄氏度)。他们还发现了云层覆盖程度不同的证据，该星球永恒的早晨部分可能比夜晚多云。

图片 A：艺术家概念 WASP-39 b

天文学家分析了 WASP-39 b 的 2 至 5 微米透射光谱，这项技术用于研究这颗系外行星的晨昏线，即行星白天和夜晚的分界线。透射光谱是通过比较行星在恒星前方移动时通过大气层过滤的星光与行星在恒星旁边时探测到的未过滤星光而得出的。通过进行这种比较，研究人员可以获得有关行星大气层的温度、成分和其他特性的信息。

“WASP-39 b 已成为韦伯望远镜研究系外行星大气层的基准行星，”太空望远镜科学研究所系外行星研究员、这项研究的主要作者内斯托·埃斯皮诺萨 (Néstor Espinoza) 表示。“它有一个膨胀的、蓬松的大气层，因此来自穿过行星大气层的星光的信号非常强。”

之前发布的 WASP-39b 大气韦伯光谱显示了二氧化碳、二氧化硫、水蒸气和钠的存在，代表了整个昼夜分界线——并没有详细尝试区分一侧和另一侧。

现在，新的分析从晨昏线区域构建了两个不同的光谱，基本上将昼夜分界线分成两个半圆，一个来自晚上，另一个来自早晨。数据显示，晚上明显更热，高达 1,450 华氏度（800 摄氏度），而早晨则相对凉爽，为 1,150 华氏度（600 摄氏度）。

图 B：透射光谱

“我们能够解析出这种微小的差异真是令人惊叹，这只有归功于韦伯对近红外波长的灵敏度和极其稳定的光度传感器，”埃斯皮诺萨说。“在收集数据时，仪器或天文台的任何微小移动都会严重限制我们进行这种检测的能力。它必须非常精确，而韦伯就是这样的。”

对所获得的数据进行广泛的建模，还使研究人员能够研究 WASP-39 b 的大气结构、云层以及夜晚温度更高的原因。虽然该团队未来的工作将研究云层如何影响温度，反之亦然，但天文学家证实，围绕该行星的气体循环是 WASP-39 b 温度差异的主要原因。

对于像 WASP-39 b 这样辐射程度较高的系外行星，其轨道相对靠近其恒星，研究人员通常预计气体会随着行星绕恒星旋转而移动：白天一侧的较热气体应在夜晚通过强大的赤道急流移动到夜间一侧。由于温差如此之大，气压差也会很大，进而导致风速加快。

图片 C：凌日光变曲线

研究人员利用通用环流模型（一种类似于用于预测地球天气模式的三维模型）发现，在 WASP-39 b 上，盛行风可能从夜间一侧穿过晨曦晨曦，绕过白天一侧，穿过夜间晨曦晨曦，然后绕过夜间一侧。因此，晨曦晨曦晨曦比夜间一侧温度低。换句话说，早晨一侧会遭遇夜间一侧冷却的空气风，而夜间一侧会遭遇白天一侧加热的空气风。研究表明，WASP-39 b 上的风速可达每小时数千英里！

“这项分析也特别有趣，因为你获得了之前没有获得的有关这颗行星的 3D 信息，”埃斯皮诺萨补充道。“因为我们可以看出夜晚边缘更热，这意味着它有点膨胀。所以，从理论上讲，在接近行星夜间一侧时，晨昏线处会有一个小隆起。”

该团队的研究成果已发表在《自然》杂志上。

作为韦伯第二周期通用观测计划 3969的一部分  ，研究人员现在将采用相同的分析方法来研究其他潮汐锁定热木星的大气差异。

WASP-39 b 是韦伯望远镜于 2022 年开始常规科学运行后分析的首批目标之一。本研究中的数据是在早期发布科学计划1366下收集的，旨在帮助科学家快速学习如何使用望远镜的仪器并充分发挥其科学潜力。

詹姆斯·韦伯太空望远镜是世界一流的太空科学观测站。韦伯正在解开太阳系的谜团，探索其他恒星周围的遥远世界，并探索宇宙的神秘结构和起源以及我们在其中的位置。韦伯是一个由 NASA 及其合作伙伴 ESA（欧洲航天局）和 CSA（加拿大航天局）领导的国际项目。