时速5000英里的狂风：韦伯绘制极端系外行星WASP-43b的天气图

这幅艺术家的概念图展示了炙热的气体巨型系外行星WASP-43 b的模样。WASP-43 b是一颗木星大小的行星，环绕着大约280光年外的一颗恒星，位于六分仪座。这颗行星的轨道距离约为 130 万英里（0.014 个天文单位，或 AU），大约 19.5 个小时就能绕行一圈。由于离恒星如此之近，WASP-43 b很可能被潮汐锁定：它的自转速率和轨道周期相同，因此始终有一面朝向恒星。资料来源：NASA、ESA、CSA、拉尔夫-克劳福德（STScI）

天文学家利用韦伯望远镜绘制了这颗行星的温度图，并分析了它周围的大气层，希望能在夜面探测到甲烷这种常见的碳分子。但显然没有任何迹象表明存在甲烷。为什么会这样呢？结果表明，热气的超音速风从日侧吹来，彻底搅乱了大气层，阻止了化学反应，否则甲烷就会在夜侧产生。

这条光变曲线显示了 WASP-43 系统在行星绕恒星运行过程中亮度随时间的变化。这种光曲线被称为相位曲线，因为它包含了行星的整个轨道或所有相位。由于它是潮汐锁定的，WASP-43 b 的不同侧面会随着它的轨道旋转进入视野。当炎热的白昼面朝向望远镜时，该系统显得最亮，就在行星穿过恒星背后的次生日食前后。随着行星继续运行，夜面旋转进入视线，该系统变得越来越暗。过境后，行星从恒星前方经过，挡住了部分星光，随着日侧旋转回到视野中，系统再次变亮。资料来源：NASA、ESA、CSA、Ralf Crawford（STScI）、Taylor Bell（BAERI）、Joanna Barstow（开放大学）、Michael Roman（莱斯特大学）

一个国际研究小组成功地利用美国国家航空航天局（NASA）的詹姆斯-韦伯太空望远镜绘制了热气巨型系外行星WASP-43 b的天气图。

通过对中红外光宽光谱的精确亮度测量，结合三维气候模型和其他望远镜之前的观测结果，我们发现地球上存在厚厚的高云，覆盖着夜晚，白天则是晴朗的天空，时速高达 5000 英里的赤道风将大气气体混合在地球周围。韦伯望远镜测量温度变化和探测数万亿英里外大气气体的非凡能力，使系外行星科学成为可能。

WASP-43 b是一颗"热木星"类型的系外行星：大小与木星相似，主要由氢和氦构成，比我们太阳系中的任何一颗巨行星都要热得多。虽然它的恒星比太阳小，温度也比太阳低，但 WASP-43 b 的轨道距离只有 130 万英里--不到水星和太阳之间距离的 1/25 倍。

在如此紧凑的轨道上，这颗行星被潮汐锁定，一侧持续发光，另一侧则长期处于黑暗之中。虽然夜侧从未接受过恒星的直接辐射，但强劲的东风会将日侧的热量输送到周围。

自 2011 年发现 WASP-43 b 以来，许多望远镜对其进行了观测，其中包括美国宇航局的哈勃望远镜和现已退役的斯皮策太空望远镜。

"通过哈勃，我们可以清楚地看到白天有水蒸气。"湾区环境研究所研究员、4 月 30 日发表在《自然-天文学》上的一项研究的主要作者泰勒-贝尔解释说："哈勃和斯皮策都表明，夜间可能有云层。但我们需要韦伯更精确的测量结果，才能真正开始绘制地球周围的温度、云层、风和更详细的大气成分图。"

这张简化的系外行星相位曲线图显示了行星绕恒星运行时恒星-行星系统总亮度的变化。当行星更多的亮面朝向望远镜时（全相），系统看起来更亮。当行星较暗的一面朝向望远镜时（新相位），当行星挡住部分星光时（凌日），以及当行星发出的光被恒星挡住时（次食），系统看起来就会变暗。(上图）行星绕恒星运行时其相位（发光面朝向望远镜的数量）的变化示意图。(下图）三维图显示恒星-行星系统的总亮度随行星绕恒星运行而发生的变化。在这个被称为光曲线的图形中，水平面是轨道位置，纵轴是亮度。(右图）比例尺。在轨道图和光曲线中，颜色表示观测到的恒星+行星的亮度：从深紫色（探测到的光量较少）到白色（探测到的光量较多）。研究人员利用相位曲线研究行星的反射率和温度随经度（从一侧到另一侧）的变化，从而深入了解行星的表面成分和大气状况。资料来源：NASA、ESA、CSA、Dani Player（STSCI）、Andi James（STSCI）、Greg Bacon（STSCI）

虽然 WASP-43 b 太小、太暗，而且离恒星很近，望远镜无法直接看到，但它的轨道周期很短，只有 19.5 个小时，因此非常适合进行相位曲线光谱分析，这种技术是测量行星绕恒星运行时恒星-行星系统亮度的微小变化。

由于天体发出的中红外光量在很大程度上取决于它的热度，因此韦伯拍摄到的亮度数据可以用来计算这颗行星的温度。

研究小组利用韦伯望远镜的中红外成像仪（MIRI），在超过24小时的时间里，每10秒钟测量一次WASP-43系统发出的光线。贝尔解释说："通过对整个轨道的观测，我们能够计算出行星旋转时不同侧面的温度。"由此，我们可以构建出整个行星的大致温度分布图。"

测量结果显示，日侧的平均温度接近 2300华氏度（1250摄氏度）--热度足以锻造铁器。与此同时，夜间的温度要低得多，为 1100 华氏度（600 摄氏度）。这些数据还有助于定位行星上最热的地方（"热点"），它与接受恒星辐射最多的地方（恒星在行星天空中的最高点）相比略微向东偏移。出现这种偏移的原因是超音速风，它将加热的空气向东移动。

来自英国莱斯特大学的合著者迈克尔-罗曼（Michael Roman）说："我们能以这种方式绘制温度地图，这确实证明了韦伯望远镜的灵敏度和稳定性。"

为了解读这张地图，研究小组使用了复杂的三维大气模型，就像用于了解地球天气和气候的模型一样。分析结果表明，夜空可能被厚厚的云层覆盖，阻止了部分红外光逃逸到太空中。因此，与没有云层的情况相比，夜空虽然非常炎热，但看起来却更加昏暗和凉爽。

这组地图显示了炙热的气体巨型系外行星WASP-43 b在绕其恒星运行时可见面的温度。这些温度是根据美国宇航局詹姆斯-韦伯太空望远镜（NASA's James Webb Space Telescope）上的中红外仪器（MIRI）从恒星-行星系统中探测到的8000多个5-12微米中红外光亮度测量值计算得出的。一般来说，天体越热，发出的中红外光就越多。资料来源：NASA、ESA、CSA、Ralf Crawford（STScI）、Taylor Bell（BAERI）、Joanna Barstow（开放大学）、Michael Roman（莱斯特大学）

韦伯捕捉到的宽光谱中红外光也使得测量地球周围水蒸气（H2O）和甲烷（CH4）的数量成为可能。来自英国开放大学的合著者乔安娜-巴斯托（Joanna Barstow）说："韦伯让我们有机会弄清楚我们看到的究竟是哪些分子，并对其丰度做出一些限制。"

光谱显示出地球夜间和白天都有明显的水蒸气迹象，为了解云层的厚度及其在大气层中的延伸高度提供了更多信息。

令人惊讶的是，数据还显示大气中明显缺少甲烷。虽然白天太热，甲烷不可能存在（大部分碳应该以一氧化碳的形式存在），但甲烷在较冷的夜间应该是稳定的，并且可以检测到。

巴斯托解释说："我们看不到甲烷的事实告诉我们，WASP-43 b 的风速必须达到每小时 5000 英里左右。如果风把气体从日侧吹到夜侧再吹回来的速度足够快，就没有足够的时间进行预期的化学反应，从而在夜侧产生可探测到的甲烷量。"

研究小组认为，由于这种由风驱动的混合，行星周围的大气化学成分是相同的，而这一点在过去哈勃和斯皮策的研究中并不明显。

编译来源：ScitechDaily