不可思議的外星球！韋伯望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)一個(gè)外星球存在永恒白晝與黑夜

在銀河系的遙遠(yuǎn)角落，數(shù)以千計(jì)的系外行星圍繞各自恒星運(yùn)轉(zhuǎn)。

想要看清這些星球的大氣模樣，天文學(xué)家最依賴的手段就是凌日光譜法：當(dāng)行星運(yùn)行到恒星與地球之間時(shí)，捕捉穿過行星大氣層的星光，通過吸收特征反推大氣成分。

過去我們通常會(huì)把整個(gè)凌日過程的信號(hào)疊加平均，只能得到晨昏帶大氣的整體平均特征，這就像隔著霧氣看一張模糊的全景照。

而最近，詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡憑借前所未有的精度，首次捕捉到了旋轉(zhuǎn)凌日效應(yīng)，借助行星自身的轉(zhuǎn)動(dòng)，清晰分辨出這顆超高溫行星晨昏帶上的大氣經(jīng)度差異，給大氣拍出了帶細(xì)節(jié)的特寫。

該研究于2026年6月10日發(fā)表在《自然·天文學(xué)》上。

這次的研究對(duì)象是WASP-121 b，它是一顆典型的超高溫木星，距離地球約850光年，半徑約為木星的1.6倍，它距離宿主恒星很近，公轉(zhuǎn)一圈僅需1.27天，與所有近距巨行星一樣，它被潮汐力牢牢鎖定：一面永遠(yuǎn)朝向恒星，承受數(shù)千度的炙烤；另一面永遠(yuǎn)背對(duì)星空，陷入永久寒夜。

極端的晝夜溫差會(huì)在大氣里掀起狂暴的風(fēng)暴，而晝夜交界的晨昏地帶，正是溫度、化學(xué)成分變化最劇烈的區(qū)域。

過去用凌日光譜法研究大氣，天文學(xué)家習(xí)慣把整個(gè)凌日過程的信號(hào)疊加，得到晨昏帶的平均特征。

但很少有人留意：行星在凌日的短短幾小時(shí)里，自身也在轉(zhuǎn)動(dòng)。

對(duì)于WASP-121 b這樣的行星，一次凌日下來它會(huì)自轉(zhuǎn)約25度——這個(gè)角度足以讓觀測(cè)到的大氣區(qū)域，從凌日開始時(shí)的偏早晨一側(cè)，慢慢切換到偏傍晚一側(cè)。

如果兩側(cè)溫度、成分不一樣，凌日光變曲線就會(huì)出現(xiàn)不對(duì)稱：后半段與前半段的行星視大小、光譜特征都會(huì)產(chǎn)生差異，這個(gè)效應(yīng)早有理論預(yù)言，但信號(hào)過于微弱，從未被實(shí)際觀測(cè)證實(shí)。

由德國馬克斯·普朗克天文研究所的西里爾·加普領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)，用JWST的近紅外光譜儀與近紅外成像光譜儀，分別捕捉了WASP-121 b的兩次凌日過程。

數(shù)據(jù)剛處理完成，研究人員就發(fā)現(xiàn)了反常：兩次觀測(cè)的光變曲線都呈現(xiàn)明顯不對(duì)稱，凌日后半段行星遮擋的星光更多，看起來比前半段更大。

團(tuán)隊(duì)首先排除了所有外界干擾。

宿主恒星WASP-121 A自轉(zhuǎn)偏快，會(huì)出現(xiàn)重力變暗效應(yīng)：赤道因離心力表面重力更低，溫度和亮度都弱于兩極，行星凌日時(shí)掃過不同亮度的恒星表面，也會(huì)造成曲線不對(duì)稱。

團(tuán)隊(duì)結(jié)合TESS衛(wèi)星的光學(xué)觀測(cè)詳細(xì)測(cè)算后確認(rèn)，宿主恒星的重力變暗效應(yīng)不足以解釋韋伯觀測(cè)到的不對(duì)稱幅度。

在波長更短的近紅外成像光譜儀數(shù)據(jù)中，重力變暗確實(shí)有一定貢獻(xiàn)，但兩個(gè)儀器都觀測(cè)到了一致的一氧化碳信號(hào)增強(qiáng)，證明行星大氣本身的變化才是核心原因；儀器本身的系統(tǒng)誤差也被逐一排除。

更精細(xì)的光譜數(shù)據(jù)，直接揭開了兩側(cè)大氣的化學(xué)成分差異。

隨著凌日推進(jìn)，一氧化碳的吸收信號(hào)持續(xù)增強(qiáng)，相對(duì)幅度約200ppm；而水分子的吸收信號(hào)卻幾乎沒有增長，甚至略有減弱。

這個(gè)看似矛盾的現(xiàn)象，恰恰印證了傍晚側(cè)大氣溫度更高的猜想。

大氣溫度越高，氣體膨脹越明顯，能遮擋的星光就越多，整體吸收都會(huì)變強(qiáng)——但前提是分子還能穩(wěn)定存在。

對(duì)于水分子來說，超高溫木星的晝側(cè)溫度足以將它拆解：在兩三千度的環(huán)境中，水分子會(huì)發(fā)生熱解離，拆分成氫原子與氧原子，自然失去了原本的吸收特征。

溫度越高的區(qū)域，水分子越少，剛好抵消了大氣膨脹帶來的吸收增強(qiáng)。

而一氧化碳分子要穩(wěn)定得多，哪怕晝側(cè)的高溫也很難破壞其結(jié)構(gòu)。

所以隨著溫度更高的傍晚側(cè)轉(zhuǎn)入視野，大氣膨脹讓一氧化碳的吸收信號(hào)跟著明顯變強(qiáng)，就連氧化硅的吸收也有輕微增強(qiáng)的跡象，只是它的吸收波段過窄，觀測(cè)數(shù)據(jù)還不足以給出定論。

把這些線索拼接起來，一幅清晰的大氣環(huán)流圖景便浮現(xiàn)出來：WASP-121 b的晝側(cè)東半部分溫度比西半部分更高，對(duì)應(yīng)的傍晚晨昏帶溫度梯度，比早晨晨昏帶要強(qiáng)得多。

這與行星上的東風(fēng)環(huán)流完全吻合：強(qiáng)勁的東風(fēng)從晝側(cè)正午區(qū)域吹向夜側(cè)，把熱量一路帶到傍晚的交界線上，讓黃昏側(cè)的大氣更熱、更膨脹。

這個(gè)結(jié)論也和地面望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)形成了完美互補(bǔ)。

此前地面高分辨率光譜通過觀測(cè)分子譜線的多普勒偏移，也發(fā)現(xiàn)了類似的不對(duì)稱：一氧化碳譜線會(huì)隨凌日逐漸藍(lán)移，說明吸收信號(hào)主要來自朝著觀測(cè)者轉(zhuǎn)動(dòng)的傍晚側(cè)；而水分子的藍(lán)移會(huì)逐漸減弱，說明它主要集中在轉(zhuǎn)離觀測(cè)者的早晨側(cè)。

地面觀測(cè)靠多普勒效應(yīng)測(cè)風(fēng)速，JWST靠吸收強(qiáng)度測(cè)成分與溫度，兩條完全不同的路徑得到了一致結(jié)果，也讓結(jié)論更加可靠。

研究團(tuán)隊(duì)用成熟的大氣環(huán)流模型模擬了這顆行星的大氣，模擬結(jié)果確實(shí)能復(fù)現(xiàn)傍晚側(cè)視直徑更大的整體趨勢(shì)，但預(yù)測(cè)的不對(duì)稱幅度比實(shí)際觀測(cè)要小。

這個(gè)差距也給天文學(xué)家留下了新的線索。

一種可能是早晨晨昏帶附近存在硅酸鹽云層。

在從夜側(cè)轉(zhuǎn)向晝側(cè)的早晨晨昏帶附近，溫度更低，硅酸鹽等礦物質(zhì)容易凝結(jié)形成云層，會(huì)降低該側(cè)大氣的有效標(biāo)高，讓早晨側(cè)的視直徑更小，從而拉大了與傍晚側(cè)的差距。

現(xiàn)有的模型大多沒有細(xì)致模擬云層的形成與分布，自然會(huì)低估不對(duì)稱的幅度。

另一個(gè)原因是模型默認(rèn)了與太陽一致的元素比例，但此前觀測(cè)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，WASP-121 b的碳氧比遠(yuǎn)高于太陽，化學(xué)成分的差異也會(huì)影響溫度與吸收特征。

當(dāng)研究人員手動(dòng)調(diào)低早晨側(cè)溫度來模擬云層效果后，模擬結(jié)果立刻與觀測(cè)貼近了很多。

這次發(fā)現(xiàn)最珍貴的價(jià)值，不只是搞清楚了WASP-121 b的大氣細(xì)節(jié)，更在于驗(yàn)證了旋轉(zhuǎn)凌日這種全新的觀測(cè)方法。

過去研究系外行星大氣的橫向差異，大多需要地面高分辨率光譜儀通過多普勒效應(yīng)測(cè)量；而旋轉(zhuǎn)凌日方法讓我們用空間望遠(yuǎn)鏡的低分辨率透射光譜，就能拆解出晨昏帶上的溫度與化學(xué)成分的經(jīng)度梯度，為系外行星大氣研究提供了一把全新的標(biāo)尺。

當(dāng)然，這種方法目前還只適用于超高溫木星這類極端行星：它們溫度高、大氣膨脹明顯，自轉(zhuǎn)帶來的信號(hào)才足夠強(qiáng)。

但團(tuán)隊(duì)已經(jīng)梳理出一批適合觀測(cè)的候選行星，比如WASP-33 b、KELT-9 b等。

這些行星的宿主恒星自轉(zhuǎn)更快，重力變暗的干擾會(huì)更強(qiáng)，但只要結(jié)合多波段觀測(cè)數(shù)據(jù)仔細(xì)校正，同樣能挖掘出大氣的經(jīng)度信息。

隨著JWST觀測(cè)數(shù)據(jù)的積累與建模技術(shù)的進(jìn)步，未來我們或許能給更多系外行星畫出完整的大氣地圖。

從模糊的平均光譜，到清晰的經(jīng)度差異，人類正在一步步把遙遠(yuǎn)的系外行星，從一個(gè)個(gè)光點(diǎn)，變成有具體面貌的真實(shí)世界。