NASA的的詹姆斯·韦伯太空望远镜研究遥远世界的永恒日出和日落
对明暗界限的近红外光谱分析证实了早晚大气的差异。
利用NASA的詹姆斯·韦伯太空望远镜，研究人员终于证实了之前模型预测的结果：一颗系外行星的早晚大气存在差异。WASP-39 b是一颗巨大的行星，其直径比木星大1.3倍，但质量与土星相似，围绕距离地球约700光年的一颗恒星运行。这颗行星受到潮汐锁定，这意味着它拥有一个恒定的昼面和一个恒定的夜面——行星的一侧始终暴露在其恒星之下，而另一侧则始终笼罩在黑暗中。
使用韦伯望远镜的NIRSpec（近红外光谱仪），天文学家证实了WASP-39 b上永恒的白天和永恒的夜晚之间存在着温度差异，其夜面比昼面高出约300华氏度（约200摄氏度）。他们还发现了不同的云层覆盖证据，行星的昼面部分可能比夜面云层更厚。
图片A：艺术家概念图WASP-39 b
这幅艺术概念图展示了基于NASA詹姆斯·韦伯太空望远镜以及其他太空和地基望远镜的间接凌日观测，系外行星WASP-39 b可能的外观。韦伯望远镜的NIRSpec（近红外光谱仪）收集的数据展示了这颗行星早晚大气的差异。
影像来源: NASA, ESA, CSA, R. Crawford (STScI)
天文学家分析了WASP-39 b的2到5微米的透射光谱，这是一种研究系外行星明暗界限（即行星白天和夜晚的分界线）的技术。透射光谱是通过比较行星在恒星前方移动时经过其大气层过滤的恒星光与行星位于恒星旁边时检测到的未过滤恒星光生成。通过这种比较，研究人员可以获得关于行星大气层的温度、成分和其他特性的相关信息。
“WASP-39 b已经成为使用韦伯望远镜研究系外行星大气的基准行星。”太空望远镜科学研究所的系外行星研究员兼该研究的第一作者内斯托尔·埃斯皮诺萨（Néstor Espinoza）说道。“它有一个膨胀、蓬松的大气，因此来自恒星光穿过行星大气层的信号非常强。”
之前发表的韦伯望远镜关于WASP-39b大气层的光谱揭示了二氧化碳、二氧化硫、水蒸气和钠的存在，这代表了整个昼夜分界线——当时并没有详细区分一侧和另一侧。
现在，新的分析从明暗界限区域构建了两个不同的光谱，基本上将昼夜分界线分成两个半圆，一个来自夜晚，另一个来自白天。数据显示，夜晚的温度明显更高，高达1450华氏度（800摄氏度），而白天的温度相对较低，为1150华氏度（600摄氏度）。
图片B：透射光谱
该透射光谱使用韦伯望远镜的NIRSpec（近红外光谱仪）PRISM明亮天体-时间序列模式捕获，显示了被热气体巨型系外行星WASP-39 b的大气层阻挡的不同波长（颜色）的近红外恒星光的量。光谱清晰地显示出水和二氧化碳的证据，以及该系外行星昼夜温度的差异。
影像来源: NASA, ESA, CSA, R. Crawford (STScI)
“能够解析出这个微小的差异真的令人惊叹，而这只能通过韦伯在近红外波长上的灵敏度和其极其稳定的光度传感器实现。”埃斯皮诺萨说道。“在收集数据时，仪器或天文台的任何微小移动都会严重限制我们进行这一探测的能力。它必须异常精确，而韦伯正是如此。”
对获得的数据进行广泛建模还使研究人员能够研究WASP-39 b大气层的结构、云层覆盖情况以及夜晚温度更高的原因。虽然研究团队的未来工作将研究云层覆盖如何影响温度，反之亦然，但天文学家证实，行星周围的气体循环是造成WASP-39 b温度差异的主要原因。
对于像WASP-39 b这样绕其恒星相对较近轨道运行的高度受照射的系外行星，研究人员通常预期气体会随着行星绕恒星旋转而移动：来自昼面的较热气体应该通过强大的赤道喷流在夜晚移动到夜面。由于温差极大，气压差也会很大，进而导致风速很高。
图片C：凌日光变曲线
来自NASA詹姆斯·韦伯空间望远镜的NIRSpec（近红外光谱仪）的光变曲线显示了行星凌日时恒星系统亮度随时间的变化。此次观测使用了NIRSpec的明亮天体-时间序列模式，该模式利用光栅将单个明亮物体（如WASP-39 b的宿主恒星）的光散射开来，并在设定的时间间隔内测量每种波长的光的亮度。
影像来源: NASA, ESA, CSA, R. Crawford (STScI)
利用大气环流模型（类似于用于预测地球天气模式的三维模型），研究人员发现WASP-39 b的主导风向可能从夜面横跨明暗界限，绕过昼面，再横跨明暗界限，然后绕回夜面。因此，明暗界限的昼面比夜面更凉。换句话说，昼面到从夜面冷却的空气风的冲击，而夜面则受到从昼面加热的空气风的冲击。研究表明，WASP-39 b上的风速可以达到每小时数千英里！
“这项分析还特别有趣，因为你获得了以前未曾获得的关于行星的三维信息。”埃斯皮诺萨补充道。“因为我们可以判断出夜面边缘更热，这意味着它更蓬松一些。因此，从理论上讲，接近行星夜面的明暗界限处有一个小小的膨胀。”
该团队的研究成果已在《自然》杂志上发表。
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，这也是韦伯第二周期一般观测者计划3969的一部分。
WASP-39 b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，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。
詹姆斯·韦伯太空望远镜是世界上首屈一指的太空科学天文台。韦伯将解开我们太阳系中的谜团，展望其他恒星周围的遥远世界，探索我们宇宙的神秘结构和起源以及我们在其中的位置。韦伯是由NASA及其合作伙伴ESA和CSA领导的一项国际计划。