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系外行星大氣研究對人類理解行星形成、演化及宜居性具有重要意義?？蒲腥藛T通過解譯不同類型的行星大氣成分和結(jié)構(gòu)，可追溯行星系統(tǒng)形成歷史與行星遷移路徑，并評估其潛在的生命宜居環(huán)境。受大氣環(huán)流影響，系外行星晨昏兩側(cè)大氣或在溫度、成分及氣溶膠特性等方面存在差異。目前，高分辨率地基觀測已在多顆超熱/熱木星中揭示晨昏大氣不對稱，但具備良好的紅外能力、光譜觀測及時空分辨率的空間望遠(yuǎn)鏡，可為精準(zhǔn)探測晨昏線上溫度梯度與化學(xué)分布帶來新視角。

WASP-39 b是圍繞距離地球約700光年的G型恒星運(yùn)行的溫?zé)嵬列琴|(zhì)量行星，其軌道周期約為4天，平衡溫度約為900℃，大氣層膨脹且相對通透，是研究系外行星大氣成分的理想目標(biāo)。此前，詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡對該行星進(jìn)行了詳細(xì)觀測，并在大氣中探測到水、二氧化硫、二氧化碳等多種分子，為系外行星大氣化學(xué)和動力學(xué)研究樹立了重要標(biāo)桿。但是，詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡早期科學(xué)項(xiàng)目研究中均采用傳統(tǒng)的一維大氣模型來解釋WASP-39 b大氣特性，未能充分利用詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡提供的高精度數(shù)據(jù)來探究行星晨昏大氣或存在的不對稱現(xiàn)象。

近日，中國科學(xué)院紫金山天文臺研究員季江徽團(tuán)隊(duì)聯(lián)合上海交通大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)科研人員，利用詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡數(shù)據(jù)與二維大氣反演模型，揭示了熱木星WASP-39 b大氣層晨昏不對稱現(xiàn)象，并引入基于淺水模擬的動力學(xué)約束來提供物理合理的晨昏溫度差異。

該團(tuán)隊(duì)基于WASP-39 b系統(tǒng)特性，構(gòu)建四種二維透射光譜模型，并與傳統(tǒng)一維方法進(jìn)行對比。其中，兩種模型融入基于淺水模擬的動力學(xué)約束，為晨昏溫度差異提供物理上合理的約束條件。同時，研究人員對詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡NIRSpec/PRISM觀測數(shù)據(jù)、前期HST、VLT及Spitzer望遠(yuǎn)鏡合并數(shù)據(jù)集進(jìn)行分析。結(jié)果表明，二維反演模型優(yōu)于傳統(tǒng)一維方法，并確認(rèn)WASP-39 b存在顯著的晨昏大氣不對稱現(xiàn)象，且WASP-39 b晨間區(qū)域多云、溫度較低、霧霾散射較強(qiáng)，而傍晚區(qū)域溫度更高且相對晴朗。

進(jìn)一步，該團(tuán)隊(duì)在二維框架內(nèi)無約束模型反演出晨昏溫差大于引入動力學(xué)約束模型，且大于獨(dú)立晨昏光譜反演所得到的溫差，但無約束模型結(jié)果可更好地?cái)M合CO₂光譜特征。目前，從貝葉斯證據(jù)角度，難以判斷這些二維方法之間的優(yōu)劣。研究表明，晨昏大氣中擁有一致的碳氧比(C/O)，但云和霾性質(zhì)差異顯著。

這一研究有助于學(xué)界深入了解溫?zé)嵬列琴|(zhì)量行星的大氣晨昏不對稱現(xiàn)象，為今后熱木星樣本研究提供了新途徑。同時，該研究將動力學(xué)約束引入系外行星大氣晨昏不對稱研究中，有望為學(xué)界探討系外行星大氣環(huán)流、成分及氣溶膠分布提供新視角，并提高詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡和其他天文設(shè)施對系外行星大氣特性評估的準(zhǔn)確性。

相關(guān)研究成果發(fā)表在《天文學(xué)雜志》（The Astronomical Journal）上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金委員會、中國科學(xué)院等的支持。

論文鏈接

淺水模型模擬WASP-39 b 的溫度分布圖