“热木星”的黑暗面首次被详细揭示
这颗行星的夜间可能有铁云、钛雨和风，它们使地球的气流相形见绌。
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麻省理工学院（MIT）的天文学家们已经获得了迄今为止最清晰的关于一颗系外行星“潮汐锁定”其恒星的永久黑暗面的视图。他们的观测结果，结合对行星永久日面的测量，首次提供了系外行星全球大气的详细视图。
托马斯·米卡尔·埃文斯（Thomas Mikal Evans）是麻省理工学院（MIT）卡夫利天体物理与空间研究所（Kavli Institute for Astrophysics and Space Research）的博士后，他说：“我们现在正在超越对系外行星大气特定区域的孤立快照，将它们作为真正的3D系统进行研究。”。
这项新研究的中心行星是WASP-121b，它是一颗巨大的气态巨行星，大小几乎是木星的两倍。该行星今天发表在《自然天文学》上。这颗行星是一颗超热的木星，2015年被发现绕着一颗距离地球850光年的恒星运行。WASP-121b是迄今为止探测到的最短轨道之一，仅在30小时内围绕其恒星运行。它也被潮汐锁定，因此它面向恒星的“白天”面永远在燃烧，而它的“夜晚”面永远转向太空。
麻省理工学院博士后坦苏·戴兰（Tansu Daylan）参与了美国宇航局（NASA）麻省理工学院（MIT）领导的任务，她是这项研究的合著者。他说：“热木星以其明亮的白昼面而闻名，但夜面是另一种动物。WASP-121b'；的夜面比白天的暗10倍左右。”。
天文学家此前曾探测到水蒸气，并研究了地球白天大气温度如何随高度变化。
这项新研究捕捉到了一幅更为详细的画面。研究人员能够绘制从白天到夜间的剧烈温度变化图，并观察这些温度如何随海拔变化。他们还追踪了水在大气中的存在，首次展示了水在行星昼夜两侧的循环。
而在地球上，水的循环是先蒸发，然后凝结成云，然后下雨，在WASP-121b上，水的循环要强烈得多：在白天，构成水的原子在3000开尔文以上的温度下被撕裂。这些原子被吹到夜间，在较低的温度下，氢原子和氧原子可以重新组合成水分子，然后再吹回到白天，循环再次开始。
该团队计算出，地球的水循环是由风维持的，风以每秒5公里（约合1.1万英里）的速度围绕地球旋转原子。
此外，水在地球上的循环似乎并不孤单。天文学家们发现，夜间的温度足够冷，可以容纳由铁和刚玉构成的奇异云团——一种构成红宝石和蓝宝石的矿物。这些云，像水蒸气一样，可能会在白天旋转，在那里高温将金属蒸发成气体。途中，可能会产生异国情调的雨水，比如刚玉云中的液体宝石。
米卡尔·埃文斯说：“通过这一观察，我们真正获得了系外行星气象学的全球视图。”。
该研究的合著者包括来自麻省理工学院、约翰·霍普金斯大学、加州理工学院和其他机构的合作者。
该团队使用NASA的哈勃太空望远镜上的光谱相机观测到了WASP-121b。该仪器观察一颗行星及其恒星发出的光，并将该光分解为其组成波长，其强度为天文学家提供了大气温度和组成的线索。
通过光谱研究，科学家们观察到了许多系外行星日面上的大气细节。但在夜间进行同样的操作要复杂得多，因为这需要观察行星围绕恒星旋转时整个光谱的微小变化。
在这项新研究中，该团队观察了WASP-121b在两个完整轨道上的运行情况——一个在2018年，另一个在2019年。对于这两项观测，研究人员通过光数据寻找一条特定的线或光谱特征，表明存在水蒸气。
米卡尔·埃文斯说：“我们看到了这一水景，并绘制了它在地球轨道不同部分的变化图。”。“这对有关地球大气温度随高度变化的信息进行了编码。”
不断变化的水特征帮助团队绘制了白天和夜间的温度分布图。他们发现白天的温度范围从最深可见层的2500开尔文到最顶层的3500 K。夜间的温度范围从最深层的1800 K到高层大气的1500 K。有趣的是，温度分布似乎在不断变化，白天随着海拔升高而升高——用气象术语来说，这是一种“热反转”——而夜间则随着海拔下降。
然后，研究人员通过各种模型传递温度图，根据特定的高度和温度，确定行星大气中可能存在的化学物质。这个模型揭示了金属云的可能性，比如夜间的铁、刚玉和钛。
从他们的温度图中，研究小组还观察到，这颗行星最热的区域转移到恒星正下方的“亚恒星”区域的东部。他们推断这种转变是由于极端的风造成的。
米卡尔·埃文斯解释说：“这种气体在亚恒星点被加热，但在重新辐射到太空之前就被吹向东方。”。
根据位移的大小，研究小组估计风速约为每秒5公里。
“这些风比我们的喷射流快得多，可能会在大约20小时内将云层移动到整个地球上，”Daylan说，他曾领导过使用TESS对地球进行的研究。
天文学家们在詹姆斯·韦伯太空望远镜上预留了时间，以便在今年晚些时候观测WASP-121b，并希望绘制出不仅是水蒸气的变化图，还包括一氧化碳的变化图，科学家们怀疑一氧化碳应该存在于大气中。
米卡尔·埃文斯说：“这将是我们第一次在这颗行星的大气层中测量含碳分子。”。“大气中碳和氧的含量为这些行星的形成提供了线索。”
这项研究部分由NASA通过太空望远镜科学研究所的拨款支持。