“熱木星”黑暗面首次被揭開

美國麻省理工學院的天文學家獲得了一顆系外行星被“潮汐鎖定”在其恒星上的永久暗面的圖片，這是迄今為止最清晰的一張圖像。他們的觀測結果結合對這顆行星的測量，提供了系外行星全球大氣的第一個詳細視圖。相關研究結果發表于2月21日《自然—天文學》。

領導該研究的麻省理工學院卡夫利天體物理和空間研究所博士后Thomas Mikal-Evans表示，他們現在不僅僅是對系外行星大氣的特定區域進行單獨的快拍，而是將它們作為真正的3D系統來研究。

該研究中的行星——超熱木星WASP-121b是一顆體積接近木星兩倍的巨大氣體巨星，于2015年被發現，圍繞著一顆距地球約850光年的恒星運行。這顆行星的軌道是迄今為止探測到的最短的軌道之一，環繞其恒星的時間僅為30小時。它處于潮汐鎖定狀態，這意味著它的一側總是面向恒星，溫度極高；而另一側永遠朝向太空，總是黑暗的。

該研究合著者、麻省理工學院凌星系外行星巡天衛星博士后Tansu Daylan表示，WASP-121b的暗面比亮面暗淡約10倍。

天文學家此前曾探測到該行星上的水蒸氣，并研究了其白天一側的大氣溫度隨海拔高度的變化。在新研究中，研究人員使用哈勃太空望遠鏡上的光譜相機捕捉到了更詳細的畫面，繪制出從白天到黑夜的顯著溫度變化圖，并看到這些溫度如何隨海拔高度變化。他們還追蹤了大氣中水的存在，首次展示了水是如何在行星的白天和黑夜之間循環的。

在地球上，水的循環方式是先蒸發，然后凝結成云，再形成降雨。而在WASP-121b上，水循環要強烈得多。在白天，組成水的原子在超過3000開爾文的溫度下被撕裂。這些原子被吹到暗面，在那里，較低的溫度會使氫原子和氧原子重新結合成水分子，并再次被吹回亮面，循環再次開始。

研究團隊計算出，這顆熱木星的水循環是由風以高達每秒5公里的速度“撕裂”行星上的原子來維持的。此外，他們還發現，水循環似乎不只發生在這個星球上。

研究人員在兩個完整的軌道上觀測到了WASP-121b，一個在2018年，另一個在2019年。在這兩種觀測中，研究人員都查看了光的數據，追蹤到了水蒸氣的存在。

不斷變化的水蒸氣特征幫助研究人員繪制了行星亮面和暗面的溫度分布圖。他們發現，“白晝”的范圍從最深可見層的2500開爾文到最上層的3500開爾文，夜面從最深層的1800開爾文到上層大氣的1500開爾文不等。有趣的是，行星上溫度分布似乎呈“熱倒轉”，在亮面溫度隨著海拔升高而升高，而在暗面，溫度則隨著海拔下降而下降。

然后，研究人員將溫度圖通過各種模型傳遞，揭示了在特定海拔和溫度下，該行星存在由鐵、剛玉和鈦等金屬組成的云的可能性。這顆行星最熱的區域被轉移到了恒星正下方的“亞恒星”區域的東部。他們推斷這種轉變是由于強風造成的。

“通過這次觀測，我們真正獲得了系外行星氣象學的‘全星球視野’。”Mikal-Evans說。