詹姆斯韦伯望远镜拍到行星炽热大气的震撼三维画面

由马里兰大学和康奈尔大学的研究人员牵头，这项研究绘制了WASP-18b的温度分布图。WASP-18b是一颗巨大的气态巨行星，被归类为“超热木星”，距离地球400光年。研究团队采用了一种名为3D掩食测绘（又称光谱掩食测绘）的方法，这是首次使用该技术构建完整的3D温度图。该研究是在2023年发布的2D掩食图基础上的扩展，当时使用了美国宇航局詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）的高灵敏度观测数据。

该论文的共同第一作者、马里兰大学天文学助理教授梅根·韦纳·曼斯菲尔德表示：“这项技术确实是唯一能同时探测纬度、经度和高度这三个维度的方法。它为我们研究这些天体提供了前所未有的细节水平。”

借助这种方法，科学家们可以开始绘制詹姆斯·韦伯太空望远镜能观测到的许多系外行星的大气差异，就像地面望远镜曾经记录木星大红斑及其带状云系一样。

该论文的另一位共同第一作者、康奈尔大学天文学系博士后研究员瑞安·查勒纳说：“掩食测绘使我们能够对那些因主星过于明亮而无法直接观测的系外行星进行成像。有了这台望远镜和这项新技术，我们可以开始像了解太阳系邻居一样了解系外行星。”

发现系外行星很困难，因为它们通常比其主星暗得多，往往只贡献不到1%的总光量。掩食测绘通过测量行星运行到主星后方时，光线的微小变化（此时行星会交替遮挡和暴露不同区域）来工作。通过将这些微小的亮度变化与行星上的特定位置关联起来，并在多种颜色下进行分析，科学家们可以重建出跨越纬度、经度和高度的温度分布。

WASP-18b非常适合这项测试，因为它的质量约为木星的10倍，公转一周仅需23小时，温度接近5000华氏度（约2760摄氏度）。这些特性为这种新的测绘方法提供了相对较强的信号。

该团队早期的2D地图使用单一颜色的光。而3D版本则是通过重新分析詹姆斯·韦伯太空望远镜近红外成像仪和无缝摄谱仪（NIRISS）在多个波长下的相同数据得出的。每种颜色（波长）探测WASP-18b大气的不同层次，并对应特定的温度和高度。将这些层次结合起来，就能得到详细的三维温度结构。

查勒纳解释道：“如果在水会吸收的波长下绘制地图，你会看到大气中的水汽层；而在水不吸收的波长下，则能探测到更深的层次。将这些结合起来，就能得到这颗行星大气的3D温度图。”

3D分析识别出了该行星永久昼面（由于潮汐锁定，该面始终朝向主星）上光谱特征不同的区域。在主星光直射的地方有一个圆形热点，而风力似乎太弱，无法有效扩散这些热量。在行星边缘附近，有一个较冷的环围绕着热中心。测量还显示，热点区域的水汽含量低于行星的平均水平。

韦纳·曼斯菲尔德解释说：“我们之前在群体层面上观察到过这种现象，比如较冷的行星有水，而较热的行星没有水。但这是第一次在单一行星上观察到这种差异。这是同一个大气，但我们看到较冷的区域有水，而较热的区域水被分解了。这在理论上早有预测，但通过实际观测真正看到这一现象，确实非常令人兴奋。”

更多的詹姆斯·韦伯太空望远镜观测可能会提高未来3D掩食地图的空间细节。韦纳·曼斯菲尔德指出，这种方法为研究许多“热木星”开辟了新机会——在已确认的6000多颗系外行星中，“热木星”有数百颗。她还计划将3D掩食测绘应用于比WASP-18b这类气态巨行星更小的岩石行星。

曼斯菲尔德说：“终于有工具能如此详细地观测和绘制另一颗行星的温度，这非常令人兴奋。这使我们有可能将这项技术应用于其他类型的系外行星。例如，如果一颗行星没有大气，我们仍然可以使用这项技术绘制其表面温度，从而可能了解其成分。尽管WASP-18b的情况相对可预测，但我相信我们将有机会看到以前从未预料到的现象。”

这项研究得到了詹姆斯·韦伯太空望远镜凌日系外行星社区早期释放科学计划的支持。