距离地球约900光年之处，有一个名为WASP-121b的星球。它与地球截然不同，其温度高得超乎想象，高到能让铁熔化为液体，形成铁雨。近期，天文学家发现，这颗行星正遭受前所未有的强大风暴侵袭，一场横跨半个星球的大气风暴正在上演。这不仅是科学家首次对太阳系外行星的大气层展开如此深入的研究，更是揭示宇宙极端环境下行星气候运行机制的重大突破。
系外行星，即太阳系之外的行星，它们围绕其他恒星转动。人类确认的第一颗系外行星于1992年被发现。随着天文观测技术的进步，科学家已在银河系中确认了超过5000颗系外行星，它们的种类与特性丰富多样，展现出了行星系统令人惊叹的多样性。
WASP-121b属于一类被称作“超热木星”的系外行星。木星是太阳系中最大的行星，而超热木星质量与木星相近，但其轨道却极其靠近母恒星，属于气态巨行星
WASP-121b的质量约为太阳系中木星的1.2倍，然而它与自身恒星的距离近到只需短短30个地球小时就能完成一次公转，也就是这颗行星的“一年”。
这种近距离的轨道导致了一种有趣的现象——潮汐锁定。或许这个概念听起来有些陌生，但在太阳系中就能找到典型例子，比如月球。由于月球始终以同一面朝向地球，所以从地球上永远只能看到月球的一面，这就是潮汐锁定的结果。
潮汐锁定的成因是恒星或行星的引力作用，使卫星或行星的自转逐渐减慢，最终自转周期与公转周期相同。对于像WASP-121b这样的行星，潮汐锁定意味着行星的一面永远朝向它的恒星，这一面被称为白昼面；另一面则永远背对恒星，被称为黑夜面。
这种情况产生了惊人的温度差异。WASP-121b的白昼面直接面对恒星，温度高达数千摄氏度，足以使铁等金属熔化甚至气化。而背对恒星的黑夜面则相对“凉爽”，尽管以地球的标准来看依旧非常炎热。
传统的热木星就已引起天文学家的极大兴趣，因为在太阳系中找不到与之对应的天体。太阳系的气态巨行星，如木星、土星、天王星和海王星，都处于较远的轨道上，温度相对较低。而热木星却处于极近的轨道，面临着极端的环境条件。
科学家认为，热木星可能并非在当前位置形成，而是在形成后通过轨道迁移逐渐靠近母恒星。这种迁移可能是与其他行星或行星盘相互作用导致的。随着行星离恒星越来越近，温度不断升高，最终形成了像WASP-121b这样的超热木星。
WASP-121b的大气层呈现出前所未有的复杂天气模式。天文学家团队借助位于智利北部阿塔卡马沙漠地区的甚大望远镜（VLT），对这颗行星展开深入研究，发现了令人惊叹的大气层结构和动力学过程。
在地球上，常见的降水通常由水构成。水在高温下蒸发成水蒸气，上升到较高的大气层，随后在低温环境中凝结成水滴，形成人们熟悉的雨、雪或冰雹。
但在WASP-121b上，参与这个过程的并非水，而是金属元素，尤其是铁。在行星炽热的白昼面，高温使铁等金属元素蒸发成气体。这些金属蒸气随着大气环流被带到较凉爽的黑夜面。当金属蒸气到达温度较低的黑夜面时，便开始凝结，形成液态金属小滴，最终以“铁雨”的形式落下。
这种现象在太阳系中毫无对应物。想象一下，若站在WASP-121b的黑夜面，抬头望向天空，可能会看到由熔融金属组成的雨滴从天而降，这简直就像科幻小说中的情节，然而，这却是真实存在的自然现象。
更令人惊讶的是WASP-121b的风暴系统。研究人员通过构建行星大气层的三维图，发现了一个复杂的风暴系统：一条巨大的急流横跨行星的一半，带动物质环绕赤道旋转。在行星的不同大气层中存在着不同类型的风。研究人员通过追踪铁、钠和氢等元素的运动，确定了行星大气层深处、中部和浅层的风向和风速。当急流穿过行星黑夜面与白昼面的分界线时，会剧烈搅动高空的大气，创造出极端的天气条件。
法国蔚蓝海岸天文台的研究员茱莉亚・维多利亚・西德尔指出，即使是太阳系中最强的飓风，与WASP-121b的风暴相比也显得风平浪静，这一观点强调了WASP-121b天气系统的极端性质。
WASP-121b剧烈的大气循环主要由巨大的温度差异驱动。这与地球上的大气循环原理类似，但规模和强度要大得多。
在地球上，赤道地区接收到的太阳能比极地地区多，这种温差导致了大气循环，暖空气上升，冷空气下沉，形成了人们熟悉的风和天气系统。不过地球上的温差相对较小，且行星各个部分都会经历昼夜交替。
而在WASP-121b上，由于潮汐锁定，温差不仅极端，而且是永久性的。白昼面持续接受母恒星的强烈辐射，温度可能超过2500摄氏度，而黑夜面则相对“凉爽”。这种永久性的极端温差创造了持续而猛烈的大气环流，将元素和能量从白昼面输送到黑夜面。
对WASP-121b大气层的这种复杂测绘，得益于甚大望远镜的ESPRESSO（岩石系外行星和稳定光谱观测的阶梯光谱仪）仪器。甚大望远镜位于智利北部的阿塔卡马沙漠，这里的高海拔和干燥气候为天文观测提供了绝佳条件。
甚大望远镜实际上是由四台主镜直径为8.2米的大型光学望远镜组成的阵列。它能够将不同望远镜的光线合并起来，分析的光线量是单个仪器可用的四倍，这使得它能够捕捉到行星大气层中更微弱的细节。
研究团队利用一种称为“凌星”的现象来研究WASP-121b的大气层。凌星发生在行星从地球观测者角度经过其恒星前方时。当行星穿过恒星的视线时，一小部分恒星的光会穿过行星的大气层到达地球。通过分析这部分光线的光谱，科学家可以确定行星大气层中存在哪些元素。
在此次研究中，团队观察了WASP-121b完整地从其恒星前方经过的一次“凌星”过程。这种方法使得研究人员能够在超热木星的大气层的不同层次中探测到多种化学物质的特征。
太空望远镜科学研究所的研究员莱昂纳多・阿・多斯・桑托斯表示，甚大望远镜让研究人员能够一举探测到这颗系外行星大气层的三个不同层次。研究人员通过追踪铁、钠和氢的运动，成功追踪了WASP-121b大气层深处、中部和浅层的风向和风速。
研究团队还有一个意外发现，在急流下方不远处发现了钛。这一发现格外有趣，因为此前对WASP-121b的观测显示这种元素是缺失的。研究人员推测，这种差异可能是因为钛含量被隐藏在超热木星大气层的深处。
隆德大学的研究员比比安娜・普里诺思指出，能够研究如此遥远距离的行星的化学成分和天气模式等细节，实在令人惊叹。这一意外发现提醒科学家们，系外行星的大气层结构可能比之前想象的更为复杂，需要更深入的观测和研究。
WASP-121b的极端天气系统为行星科学带来了全新的视角。正如西德尔所说，这颗行星的大气层表现出了挑战人们对天气运行方式的理解，不仅仅是地球上的天气，而是所有行星上的天气。
通过研究这样的极端环境，科学家能够测试和完善行星大气物理学模型。这些模型不仅适用于系外行星，也能帮助人们更好地理解太阳系内行星，包括地球自身的气候系统。
这种多样性不仅具有纯科学意义，也与寻找可能适合生命存在的行星相关。虽然像WASP-121b这样的超热木星显然不适合人类已知的生命形式，但了解这些极端环境有助于科学家确定宜居行星的特征和条件。
随着技术的不断进步，天文学家将能够对系外行星进行更深入的研究。詹姆斯・韦伯空间望远镜已于2021年底发射升空，它的红外观测能力将使科学家能够更详细地研究系外行星的大气成分和结构。
此外，未来的地面望远镜，如欧洲极大望远镜（E-ELT）和三十米望远镜（TMT），将拥有比现有望远镜大得多的主镜，能够收集更多的光线，提供更清晰的观测结果。
科学家还计划开展更多针对系外行星大气层的长期监测项目，以了解这些遥远世界的气候变化和季节性变化。这些研究将帮助人们回答一些最基本的问题：行星大气系统如何演化？极端环境下的行星能否保持稳定的气候？宇宙中是否存在与地球气候类似的世界？
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