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研究揭示熱木星大氣晨昏不對(duì)稱性

  系外行星大氣研究對(duì)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(píng)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(duì)稱,但具備良好的紅外能力、光譜觀測及時(shí)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(duì)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(duì)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(dòng)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W(xué)ASP-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(duì)稱現(xiàn)象。

  近日,中國科學(xué)院紫金山天文臺(tái)研究員季江徽?qǐng)F(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(duì)稱現(xiàn)象,并引入基于淺水模擬的動(dòng)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(duì)比。其中,兩種模型融入基于淺水模擬的動(dòng)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(shí),研究人員對(duì)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(duì)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(duì)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(dòng)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(duì)稱現(xiàn)象,為今后熱木星樣本研究提供了新途徑。同時(shí),該研究將動(dòng)力學(xué)約束引入系外行星大氣晨昏不對(duì)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(duì)系外行星大氣特性評(píng)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(huì)、中國科學(xué)院等的支持。

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