詹姆斯·韦伯望远镜发现外星球大气出现奇怪鼓起

研究人员利用NASA的詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）发现，距离地球约1300光年的巨行星WASP-17b的大气在一侧比另一侧更向外延展。虽然其总体轮廓仍近似圆形，但大气明显不对称。这种变形提供了新的证据，说明极端温度和强风如何重塑遥远行星的大气。

这一发现来自美国康奈尔大学和英国布里斯托大学联合开展的研究，发表于《自然·天文学》。研究人员使用了由布里斯托大学天体物理学家David Grant博士和Hannah Wakeford博士开发的一项新技术，称为“透射串”（transmission strings），以前所未有的细节研究行星大气结构。

韦布望远镜揭示外星大气的三维结构

WASP-17b属于一类称为“热木星”的行星，这些巨大气态行星围绕母星近距离公转，并经历强烈加热。它不寻常的大气形状提供了新视角，说明热量如何在这些极端世界内部流动。主要作者、康奈尔大学Klarman博士后研究员Lili Alderson博士说，这项研究始于她在布里斯托大学攻读物理学博士学位期间。

她说：“这是一个概念验证，表明行星确实是三维物体，而且随着它们围绕恒星运行，我们预测应该发生的事情一直在发生。从计算练习中走出来，真正看到它，是另一回事。”

这些观测提供了关于WASP-17b大气化学成分和温度变化的重要信息，包括赤道与两极之间、以及被恒星永久照亮的半球与黑暗半球之间的差异。

这些结果与先前的理论预测和计算机模型高度一致。它们共同提供了迄今最详细的系外行星大气三维图像之一，为研究目前已确认的6000多个系外行星建立了有用参照点。布里斯托大学天体物理学副教授Hannah Wakeford博士说：“行星脾气各异，它们的大气既复杂又混沌。所有这些数值汇聚在一起，让我们看到一个1000多光年外巨大世界如此有结构、有动态的图像，这真的令人兴奋。”

新技术揭示隐藏的大气特征

詹姆斯·韦布望远镜的极高灵敏度已经让科学家能够通过“掩星测绘”（eclipse mapping）来研究外星大气。这种方法考察行星移动到母星后方时光的细微变化，帮助研究人员判断行星不同区域的条件如何变化。

新的“透射串”技术也叫“凌星测绘”，考察行星轨道的另一段。当系外行星从其恒星前方经过时，一些星光会穿过行星大气的外缘，再到达望远镜。

通过分析来自不同角度的光，科学家可以研究大气成分，并判断大气在行星周围不同位置向外的延伸程度。这个大气外边界被称为“临边”（limb）。

传统方法通常把来自整个临边的光测量合并为一条平均光谱。新方法则把不同区域的信息分开，使研究人员能够识别原本被隐藏的大气变化。

Alderson博士说：“而不是假设你的大气是一个半径处处相同的圆，我们的技术让你能够提取从行星中心到边缘的不同距离。我们能够沿着边缘分析。因此，我们已经从一个环，进展到了解这个环上宝石所在位置——如果这样比喻的话。”

强风造成大气不对称

新测量在WASP-17b赤道附近发现了一个特别有趣的特征，而先前模型正好预测这里会出现这种特征。

变形发生在行星的“傍晚”一侧。这里强大的大气风把热量从永远朝向恒星的半球带向被锁定在黑暗中的半球。热气体这种移动使得傍晚一侧的大气比较冷的“早晨”一侧更向外扩张。因此，行星大气轮廓并非完全对称。

这些发现证实了关于这些区域温度差异的重要预测。凌星测绘测量也支持了WASP-17b此前识别出的其他特征。

Alderson博士补充说：“理论预测早晨和傍晚两侧应有强烈温度差异，而WASP-17b很好地符合这一趋势——几乎正好与我们的预期一致。”

绘制遥远行星天气的突破

在WASP-17b上成功应用透射串表明，该技术可用于研究许多其他系外行星的大气。

直到最近，天文学家关于这些遥远大气的大多结论仍来自较大区域的平均测量。新方法能够区分不同纬度以及行星昼侧和夜侧的条件。

最终，这种方法可能帮助科学家在更小尺度上研究大气结构，使绘制太阳系以外世界的天气模式更接近实现。

Wakeford博士说：“拥有一个非常稳健的数学模型，并且能把它应用于这种前沿数据，真的令人无比兴奋。这些结果是对这些多维、多面世界中正在发生的动力学过程的非常漂亮的展示。”

该研究使用了通过詹姆斯·韦布望远镜的“望远镜科学家对系外行星大气的多仪器光谱深度侦察”（TST DREAMS）保证时间观测项目获得的观测数据。资金来自NASA、英国研究与创新署（UKRI）科学与技术研究委员会（STFC）以及Klarman Fellowship。