同一天体,黎明与黄昏的大气成分竟截然不同——这并不是地球上的气候奇观,而是发生在数百光年外的一颗超热气体巨星上。天文学家利用詹姆斯·韦伯空间望远镜对WASP-121 b进行观测,首次获得了这颗行星晨昏面大气存在显著差异的直接证据。此前,理论模型虽预言了这种不对称,但从未被如此清晰地观测到。
研究的核心数据来自凌星观测:当WASP-121 b从它的主星前方穿过时,部分恒星光会穿过行星大气层抵达地球。望远镜通过分析这些经过大气过滤的星光变化,反推出大气的温度和化学组成。结果发现,这颗行星的晨侧与昏侧对红外光的吸收并不平衡——昏侧吸收的恒星光明显多于晨侧。
“韦伯望远镜以前所未有的观测品质,让我们得以一窥遥远行星的细节:随着WASP-121 b自转,我们经度差异逐个测量恒星光的吸收变化,进而探测它的大气。”带领这项研究的马克斯·普朗克天文研究所博士生Cyril Gapp解释道。数据显示,这一吸收差异指向温度与化学成分在黎明与黄昏区域上的巨大反差。
这股不对称的源头指向了行星上猛烈的风。由于WASP-121 b极度靠近恒星,它的一面永远朝向恒星白昼,另一面则陷入永恒黑夜。强风顺着行星自转方向由白昼面吹向黑夜面,将热量输送到昏侧,使那里的温度升高,大气膨胀。膨胀后,行星在昏侧的视尺寸增大,得以吸收更多恒星光,这也解释了观测中的吸收不平衡。
近红外光谱仪捕获的细节进一步支撑了上述判断。凌星后期,一氧化碳的信号明显增强,同时整体亮度略有下降。但研究人员认为,一氧化碳信号增强并非其丰度真的增加,而是温度变化导致的光谱特征改变。与之形成对照的是水:测量显示水分子确实变少了。在高温下,上层大气中的水分子被拆分成了氢和氧,这为强风加热昏侧提供了额外证据。
探测到如此细微的端倪,得益于WASP-121 b的一项基本特征。该行星长期受到强烈照射,大气层被充分加热并向外延伸,使得越过行星边缘的恒星光能携带更为丰富的大气信息。这令天文学家有机会以前所未有的精度,去揭示这个极端世界在永昼与永夜之间的交界处,究竟上演着怎样剧烈的气象大戏。
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