永恒的白昼与黑夜：韦伯了解遥远世界奇异大气的旅程

　　研究人员利用詹姆斯·韦伯太空望远镜发现了系外行星wasp - 39b上的大气差异，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，由于强大的大气环流，它的傍晚面比早晨面更热。来源:NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI)

　　自从1992年发现第一颗系外行星以来，已经发现了数千颗围绕太阳系外恒星运行的行星通过无数不同的方法得到证实，包括直接成像，重力Nal微透镜，测量凌日和天体测量。多年来，研究这些系外行星的技术已经发展到天文学名词学习细节a关于这些遥远星球的大气成分。

　　美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜即将升空继续推进这一领域的研究，加深我们的理解关于系外行星及其大气的多样性。

　　最新的吗?韦伯允许天文学这对于像wasp - 39b这样距离地球700光年的遥远星球来说，是一项令人难以置信的成就。

　　这张艺术家的概念图展示了系外行星wasp - 39b的样子，这是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得出的。来源:NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI)

　　研究人员使用美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜终于证实了模型之前的预测:系外行星在永恒的早晨和永恒的夜晚的大气之间存在差异。wasp - 39b是一颗巨大的行星，直径是木星的1.3倍，但质量与土星相似，它绕着一颗距离地球约700光年的恒星运行，被潮汐锁定在它的母星上。这意味着它有一个恒定的白昼面和一个恒定的黑夜面——行星的一面总是暴露在它的恒星面前，而另一面总是笼罩在黑暗中。

　　利用韦伯的NIRSpec(近红外光谱仪)，天文学家证实了wasp - 39b上永恒的早晨和永恒的夜晚之间的温差，夜晚看起来比夜晚热大约300华氏度(约200摄氏度)。他们还发现了不同云层覆盖的证据，地球上永远的早晨可能比晚上更多云。

　　这个动画描述了韦伯如何使用透射光谱学来研究遥远系外行星的大气层。来源:NASA, ESA, CSA, Leah Hustak

　　系外行星大气研究进展

　　天文学家分析了wasp - 39b的2至5微米透射光谱，这项技术用于研究系外行星的终结者，即分隔行星白天和夜晚的边界。透射光谱是通过比较行星在恒星前面运行时通过大气层过滤的星光和行星在恒星旁边检测到的未过滤的星光而得到的。在进行比较时，研究人员可以获得有关该行星大气的温度、成分和其他特性的信息。

　　“wasp - 39b已经成为韦伯研究系外行星大气的一种基准行星，”太空望远镜科学研究所的系外行星研究员、该研究的主要作者nsamestor Espinoza说。“它有一个膨胀的、蓬松的大气层，所以通过行星大气层过滤的星光发出的信号非常强。”

　　一张来自美国宇航局詹姆斯·韦伯太空望远镜NIRSpec(近红外光谱仪)的光线曲线显示了WASP-39恒星系统在行星凌日时亮度随时间的变化。这次观测是使用NIRSpec的明亮物体时间序列模式进行的，该模式使用光栅将来自单个明亮物体(如wasp - 39b的主星)的光扩散开来，并在设定的时间间隔内测量每个波长的光的亮度。来源:NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI)

　　温度和大气成分洞察

　　之前公布的WASP-39b大气的韦伯光谱显示了二氧化碳、二氧化硫、水蒸气和钠的存在，代表了整个白天/夜晚的边界——没有详细的区分一侧和另一侧的尝试。

　　现在，新的分析从终止区建立了两个不同的光谱，本质上把白天/夜晚的边界分成两个半圆，一个来自晚上，另一个来自早晨。数据显示，晚上的温度要高得多，达到了1450华氏度(800摄氏度)，而早上的温度相对较低，为1150华氏度(600摄氏度)。

　　这张透射光谱是用韦伯的近红外光谱仪(NIRSpec) PRISM明亮的物体时间序列模式拍摄的，显示了被热气体巨型系外行星wasp - 39b的大气阻挡的近红外星光的数量。光谱显示了水和二氧化碳的明确证据，以及系外行星早晚温度的变化。对wasp - 39b透射光谱的新分析建立了两种不同的光谱，这些光谱来自系外行星上固定的昼夜边界，基本上将这个终结区分成两个半圆，一个来自傍晚，另一个来自早晨。数据显示，晚上的温度要高得多，达到了1450华氏度(800摄氏度)，而早上的温度相对较低，为1150华氏度(600摄氏度)。蓝线和黄线是一个最适合的模型，它考虑了数据、wasp - 39b及其恒星的已知特性(例如，大小、质量、温度)和假定的大气特征。来源:NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI)

　　温度变化的影响

　　埃斯皮诺萨说:“我们能够解析出这种微小的差异，这真的很令人惊讶，这是由于韦伯在近红外波长上的灵敏度和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运动都会严重限制我们进行这种探测的能力。它必须非常精确，而韦伯正是如此。”

　　对获得的数据进行广泛的建模也使研究人员能够研究wasp - 39b的大气结构、云层覆盖以及为什么晚上更热。虽然该团队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 - 39b温差的罪魁祸首。

　　了解行星风模式和温度动力学

　　在像wasp - 39b这样高度辐射的系外行星上，它的轨道相对靠近它的恒星，研究人员通常预计，当行星围绕恒星旋转时，气体会移动:白天较热的气体应该通过强大的赤道喷射流在晚上移动到晚上。由于温差如此之大，气压差也会很大，这反过来又会导致高风速。

　　研究人员利用一般环流模型(类似于用来预测地球天气模式的三维模型)发现，在wasp - 39b上，盛行风很可能从夜侧穿过早晨界限，绕过白天界限，穿过傍晚界限，然后绕着夜侧移动。因此，明暗分界线的早晨比夜晚更冷。换句话说，早晨的一面受到夜晚冷却的风的冲击，而夜晚的一面则受到白天加热的风的冲击。研究表明，wasp - 39b上的风速可以达到每小时数千英里!

　　未来研究方向和韦伯的早期科学贡献

　　埃斯皮诺萨补充说:“这种分析也特别有趣，因为你可以获得以前无法获得的关于地球的3D信息。”“因为我们可以看出，晚上的边缘更热，这意味着它有点浮肿。所以，从理论上讲，在接近地球夜侧的终端线处有一个小的膨胀。”

　　该团队的研究结果发表在《自然》杂志上。

　　研究人员现在将使用相同的分析方法来研究其他潮汐锁定热木星的大气差异，这是韦伯周期2一般观察者计划3969的一部分。

　　wasp - 39b是韦伯在2022年开始常规科学操作时分析的首批目标之一。这项研究中的数据是在早期发布科学计划1366下收集的，旨在帮助科学家快速学习如何使用望远镜的仪器，并充分发挥其科学潜力。

　　参考文献:《系外行星wasp - 39b上的非均匀终结者》，作者:nsamestor Espinoza, Maria E. Steinrueck, James Kirk, Ryan J. MacDonald, Arjun b . Savel, Kenneth Arnold, Eliza M.-R。肯普顿、马修·m·墨菲、柳德米拉·卡罗内、玛丽亚·扎米亚蒂娜、大卫·a·刘易斯、多米尼克·萨姆拉、斯文·基弗、艾米丽·劳舍尔、邓肯·克里斯蒂、内森·梅恩、克里斯汀·海林、扎法尔·鲁斯坦库洛夫、维维安·帕门蒂尔、艾琳·m·梅、阿琳·l·卡特、张曦、梅赛德斯López-Morales、娜塔莉·艾伦、贾斯米娜·布莱西奇、琳·德辛、路易吉·曼奇尼、卡兰·莫拉维迪哈尼、本杰明·拉克姆、恩里克·帕勒、蔡尚敏、伊娃·玛丽亚·阿赫勒、雅各布·l·比恩、伊恩·j·m·克罗斯菲尔德、大卫·海格尔、埃里克·海姆姆、Laura Kreidberg, Diana Powell, Aaron D. Schneider, Luis Welbanks, Peter Wheatley, Rafael Brahm和Nicolas Crouzet, 2024年7月15日，Nature。DOI: 10.1038 / s41586 - 024 - 07768 - 4

　　詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)是一个巨大的太空望远镜sed天文台于2021年12月25日发射。这是一个由美国宇航局、欧洲航天局(ESA)和加拿大航天局(CSA)合作的项目。作为哈勃太空望远镜的科学继承者，JWST被设计为在电磁波谱的红外范围内提供前所未有的分辨率和灵敏度。这种能力允许天文研究宇宙历史的每一个阶段——从大爆炸后的第一个发光，到能够支持地球等行星上生命的太阳系的形成，再到我们太阳系的演变。步在第二个拉格朗日点(L2)， JWST将探索广泛的科学问题，帮助揭示对宇宙结构和起源的新见解。