韦伯望远镜的近红外光谱分析结论证实了系外行星WASP-39b早晚大气层的差异
自 1992 年发现第一颗系外行星以来，通过直接成像、引力微透镜、测量凌日和天体测量等各种方法，已经确认了数千颗围绕太阳系外恒星运行的行星。多年来，研究这些系外行星的技术不断发展，天文学家了解到这些遥远世界大气成分的详细信息。美国国家航空航天局的詹姆斯-韦伯太空望远镜正在继续推进这一研究领域，加深我们对系外行星及其大气层多样性的了解。
研究人员利用詹姆斯-韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope）发现了系外行星WASP-39 b的大气差异，揭示了其潮汐锁定半球的温度变化和独特的云层覆盖。这颗行星的大小与木星相似，但质量更接近土星，与早晨的一面相比，傍晚的一面更热，这归因于强大的大气环流。图片来源：NASA、ESA、CSA、Joseph Olmsted（STScI）
最新发现是，韦伯望远镜让天文学家解析了一颗潮汐锁定系外行星早晚的大气差异--对于像WASP-39 b这样距离地球700光年的遥远世界来说，这是一项令人难以置信的成就。
根据美国宇航局詹姆斯-韦伯太空望远镜以及其他太空和地面望远镜的间接凌日观测结果，这幅艺术家的概念图展示了系外行星WASP-39 b可能的样子。资料来源：NASA、ESA、CSA、Ralf Crawford（STScI）
使用美国宇航局詹姆斯-韦伯太空望远镜的研究人员最终证实了模型之前的预测：一颗系外行星在其永恒的清晨和永恒的黄昏大气层之间存在差异。WASP-39 b是一颗直径是木星1.3倍、质量与土星相近的巨型行星，它围绕着一颗距离地球约700光年的恒星运行，与母恒星潮汐锁定。这意味着它有恒定的白天和恒定的夜晚--行星的一面始终暴露在恒星下，而另一面则始终笼罩在黑暗中。
天文学家利用韦伯望远镜的近红外摄谱仪（NIRSpec）证实，WASP-39 b 星上永恒的清晨和永恒的黄昏之间存在温度差异，黄昏的温度要高出大约 300华氏度（约 200摄氏度）。他们还发现了不同云层覆盖的证据，行星上永远的清晨部分可能比黄昏部分云层更厚。
这段动画介绍了韦伯如何利用透射光谱来研究遥远系外行星的大气层。资料来源：NASA、ESA、CSA、Leah Hustak
天文学家分析了WASP-39 b的2-5微米透射光谱，这种技术可以研究系外行星的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和行星在恒星旁边时探测到的未过滤星光来制作的。通过这种比较，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。
太空望远镜科学研究所的系外行星研究员、本研究的第一作者内斯托尔-埃斯皮诺萨说："WASP-39 b已经成为用韦伯望远镜研究系外行星大气层的一种基准行星。它有一个膨胀的、蓬松的大气层，因此通过行星大气层过滤的星光发出的信号相当强烈。"
美国国家航空航天局詹姆斯-韦伯太空望远镜的近红外摄谱仪（NIRSpec）绘制的光曲线显示了当行星穿越恒星时，WASP-39恒星系统亮度随时间的变化。该观测是利用 NIRSpec 的明亮天体时间序列模式进行的，该模式使用一个光栅来散射单个明亮天体（如 WASP-39 b 的主星）的光线，并在设定的时间间隔内测量每个波长光线的亮度。资料来源：NASA、ESA、CSA、Ralf Crawford（STScI）
之前公布的 WASP-39b 大气层韦伯光谱显示了二氧化碳、二氧化硫、水蒸气和钠的存在，代表了整个昼夜边界--没有详细尝试区分一边和另一边。
现在，新的分析从分界线区域建立了两个不同的光谱，基本上将昼夜边界分成了两个半圆，一个来自傍晚，另一个来自清晨。数据显示，傍晚的温度明显更高，达到灼热的 1450 华氏度（800 摄氏度），而早晨的温度相对较低，为 1150 华氏度（600 摄氏度）。
该透射光谱是利用韦伯望远镜的近红外摄谱仪（NIRSpec）PRISM明亮天体-时间序列模式拍摄的，它显示了被炽热气体巨型系外行星WASP-39 b的大气层阻挡的近红外星光的数量。
对 WASP-39 b 的透射光谱的新分析从系外行星上静止的昼夜边界建立了两个不同的光谱，基本上将这个区域分成了两个半圆，一个来自傍晚，另一个来自清晨。数据显示，傍晚的温度明显更高，达到灼热的 1450 华氏度（800 摄氏度），而早晨的温度相对较低，为 1150 华氏度（600 摄氏度）。蓝线和黄线是一个最佳拟合模型，其中考虑了数据、WASP-39 b 及其恒星的已知属性（如大小、质量、温度）以及假定的大气层特征。资料来源：NASA、ESA、CSA、Ralf Crawford（STScI）
埃斯皮诺萨说："我们能够分析出这种微小的差异真的令人惊叹，这只能归功于韦伯在近红外波段的灵敏度及其极其稳定的光度传感器。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一探测的能力。它必须异常精确，而韦伯正是如此。"
通过对所获数据进行广泛建模，研究人员还可以研究 WASP-39 b 大气层的结构、云层以及傍晚温度较高的原因。虽然研究小组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，行星周围的气体循环是造成 WASP-39 b 温度差异的罪魁祸首。
在像 WASP-39 b 这样的高度辐照系外行星上，其轨道离恒星相对较近，研究人员通常预计，当行星围绕恒星旋转时，气体也会随之移动：白天较热的气体会通过强大的赤道喷流从傍晚移动到夜晚。由于温差如此之大，气压差也会很大，进而导致风速很高。
研究人员利用大气环流模型（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，盛行风很可能是从夜侧穿过早晨的分界线，绕过日侧，穿过傍晚的分界线，然后绕过夜侧。因此，分界线的早晨一侧要比傍晚一侧凉爽。换句话说，早晨一侧受到在夜间一侧被冷却的空气风的冲击，而傍晚一侧则受到在白天一侧被加热的空气风的冲击。研究表明，WASP-39 b 上的风速可达每小时数千英里！
埃斯皮诺萨补充说："这项分析也特别有趣，因为你可以获得以前无法获得的有关地球的三维信息。因为我们可以看出，晚间边缘的温度更高，这意味着它更蓬松一些。因此，从理论上讲，在接近行星夜边的终结点有一个小的膨胀。"
研究小组的研究成果发表在《自然》杂志上。
研究人员现在将寻求使用同样的分析方法来研究其他潮汐锁定热木星的大气差异，这是韦伯第二周期一般观测者计划 3969 的一部分。
WASP-39 b是韦伯望远镜在2022年开始常规科学运行时分析的首批目标之一。本研究中的数据是根据第1366号"早期发布科学计划"收集的，该计划旨在帮助科学家快速掌握望远镜仪器的使用方法，充分发挥其科学潜力。
编译自/ScitechDaily
