NASA韦伯望远镜揭开20光年外神秘世界的狂暴天气

都柏林圣三一学院的研究人员利用NASA詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）的观测数据，研究了一颗名为SIMP 0136的棕矮星。这颗天体此前曾与类似极光的现象有关，人们一直好奇它的大气天气为何如此复杂。研究发现，虽然SIMP 0136的大气看起来变化剧烈、难以捉摸，但其观测到的天气变化大部分可以由两个主要因素解释：温度波动，以及云层在垂直方向上的结构变化。这一结果提供了一种理解遥远世界大气条件的新方式，也有望帮助天文学家研究太阳系以外的行星。研究人员使用了一种叫“主成分分析”的数学方法。该方法能够从大量复杂数据中提取最强的变化模式。在这项研究中，团队分析了棕矮星自转时亮度如何变化，寻找能揭示大气活动的小幅信号。与传统方式不同，他们没有先假设大气应如何运动，而是让数据自己显示最重要的过程。主成分分析还能帮助区分真正的大气变化和测量中的随机噪声。韦布望远镜的高灵敏度仪器使这种工作成为可能，它能探测到不同大气区域进入视野时产生的极小亮度变化。分析结果表明，SIMP 0136的大气并非完全混乱。绝大多数大气变化都能由两个主要成分解释，分别对应温度波动和云层垂直排列的变化。更引人注目的是，研究者识别出三种反复出现的天气状态。随着棕矮星自转，这些天气状态会进入或离开视野，形成不断变化的大气拼接图景。一些区域温度较高、云层较薄；另一些区域温度较低，云层更厚，并延伸到大气更高层。这些天气模式并非不可预测地随机变化，而是似乎遵循某种底层结构。相关结果发表在《天文学与天体物理学》期刊。研究进一步指出，棕矮星处于行星与恒星之间的特殊位置。SIMP 0136比典型的气态巨行星更大、更热，但它的质量不足以像恒星一样发光。它的大气中存在巨大而快速演变的云系统，天气比木星更极端，与地球上的天气完全不同。这些天气系统尺度可以覆盖整个行星，不断改变遥远世界的表观样貌。论文第一作者、都柏林大学物理学院博士生Merle Schrader表示，这些驱动SIMP 0136天气模式的因素可以在较长时间内持续存在，即使大气外观经历十余次自转仍在演化。她还说，从相对容易获得高质量数据的棕矮星开始，研究人员能够用已有方法对比新方法的成果，从而更好理解这个遥远世界上天气的驱动力、这些天气模式如何相互作用并共存；更重要的是，这种方法未来可以改进并应用于其他不太知名的棕矮星。对Schrader而言，这项研究也有个人层面的巧合：SIMP 0136距离地球约20光年，光从那里到地球约需二十年。韦布望远镜在2023年捕捉到的光，实际上出发于Schrader出生那一年。光以约每秒30万公里传播，即便速度极快，也要二十年才能穿过韦布望远镜的镜头到达地球；而从地球到月球只需约一秒多一点，这能让人直观感受SIMP 0136的遥远，也能看到天文学进步之巨大。虽然望远镜中这颗天体看起来只是横跨光谱的一个像素，天文学家仍能从不同波长下微弱的亮度变化中推断大气细节。这项技术可能远不止用于SIMP 0136。棕矮星对研究巨行星系外行星大气特别有价值，因为棕矮星往往能被直接观测，为科学家提供研究大多数系外行星上更难观测大气过程的机会。通过研究棕矮星，科学家可以检验云如何形成、热量如何输运、大气环流在极端条件下如何运行。都柏林团队开发的方法可快速识别造成大多数大气变化的过程，使后续更耗时的计算机建模更有效。都柏林大学物理学院副教授Johanna Vos表示，这一成果或将改变天文学家分析未来韦布望远镜观测数据的方式，因为它能快速找出大气中的主导成分，可作为高算力模型前的第一步。将这一技术应用于更多棕矮星和巨行星，有助于理解太阳系之外众多世界的天气系统。最终，研究遥远世界的天气不只是识别云和温度变化，大气行为还能揭示行星化学成分、物理条件和整体环境，这与天文学最宏大的问题之一相关：太阳系外的哪些行星可能具备支持生命的条件？通过展示如何从微弱光变中理解复杂外星大气，这项新研究为回答该问题提供了又一步线索。