使用NASA的詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST），研究人员发现距离地球约1,300光年的巨行星WASP-17b的大气层在一侧向外延伸得比另一侧更远。尽管其整体轮廓大致呈圆形，但其大气层明显不对称。这种变形为极端温度和强风如何重塑遥远行星大气层提供了新证据。
这一发现发表在《自然·天文学》上，由美国康奈尔大学和英国布里斯托大学联合主导的一项研究得出。研究人员使用了一种名为"传输弦"的创新技术，该技术由布里斯托大学天体物理学家David Grant博士和Hannah Wakeford博士开发，以前所未有的细节研究了这颗行星的大气结构。
詹姆斯·韦伯揭示系外行星大气的三维结构
WASP-17b属于"热木星"类行星，这类巨大的气态巨行星紧靠其宿主恒星运行并经历强烈加热。其不寻常的大气形状为热量如何在这些极端世界中循环提供了新视角。
第一作者Lili Alderson博士是康奈尔大学Klarman博士后研究员，她在布里斯托大学学习期间开始了这项研究，并在该校获得物理学博士学位。
"这证明了行星实际上是三维物体，而且正如我们所预测的，当它们围绕恒星运行时，应该发生的事情确实在发生。超越计算模拟，亲眼看到这一切，是完全不同的体验。"
这些观测提供了关于WASP-17b大气化学和温度变化的宝贵信息，包括其赤道与两极之间以及永久受光半球与黑暗半球之间的差异。
这些结果与早期的理论预测和计算机模型高度吻合。它们共同呈现了迄今为止系外行星大气最详细的三维图景之一，为研究迄今已确认的6,000多颗系外行星建立了有用的参考基准。
合著者Hannah Wakeford博士，布里斯托大学天体物理学副教授，说："行星是变化莫测的，它们的大气复杂而混沌。所有这些数据汇聚在一起，向我们展示了这个1,000多光年外巨行星非常有序、动态的画面，这真的令人兴奋。"
新技术揭示隐藏的大气特征
詹姆斯·韦伯的非凡灵敏度已经使科学家能够使用一种称为"食影映射"的方法研究系外行星大气。这种方法通过分析行星在其母恒星后方移动时光线的细微变化，帮助研究人员确定行星各处条件的差异。
新的"传输弦"技术，也称为凌星映射，研究的是行星轨道的另一部分。当系外行星从其恒星前方经过时，部分星光在到达望远镜之前会穿过其大气外缘。
通过从不同角度分析这些光线，科学家可以研究大气的成分，并确定大气在行星周围不同位置的延伸距离。这一大气外边界被称为临边。
传统方法通常将整个临边的光测量合并为单一的平均光谱。而新方法则将不同区域的信息分离，使研究人员能够识别出原本会被掩盖的大气变化。
Alderson博士说："我们的技术不是假设你的大气是一个各处半径相同的圆，而是允许你提取从行星中心到边缘的不同距离。我们能够沿着边缘走一圈。可以说，我们已经从一个环，进步到理解宝石镶嵌在环上的哪个位置。"
强风造就不对称大气
新的测量揭示了WASP-17b赤道附近一个特别有趣的特征，恰好出现在先前模型预测的位置。
这种变形发生在行星的"傍晚"侧，那里强大的大气风将热量从永久面向恒星的半球带走，输送到陷入黑暗的半球。
这种热气体的运动导致傍晚侧的大气向外膨胀得比较冷的"清晨"侧更远。因此，行星的大气轮廓并非完美对称。
这些发现证实了关于这些区域温度差异的一项重要预测。凌星映射测量也支持了WASP-17b先前已确定的其他特征。
Alderson博士补充道："理论预测清晨侧和傍晚侧应该有显著的温度差异，而WASP-17b非常符合这一趋势——几乎完全符合我们的预期。"
遥远行星天气测绘的突破
成功将传输弦技术应用于WASP-17b表明，该技术可用于研究许多其他系外行星的大气。
直到最近，天文学家能够确定的关于这些遥远大气的大部分信息都来自对大范围区域的平均测量。新方法提供了一种区分不同纬度条件以及行星昼夜两侧条件的方式。
最终，这种方法可以帮助科学家研究更小尺度的大气结构，使他们更接近于测绘太阳系外遥远世界的天气模式。
Wakeford博士说："拥有这样一个可以应用于这些最先进数据的稳健数学模型，令人无比兴奋。这些结果完美地展示了这些多维、多面世界中正在发生的动力学过程。"
该研究使用了通过JWST望远镜科学家系外行星大气多仪器光谱深度侦察（TST DREAMS）保证时间观测计划收集的观测数据。
资金由NASA、英国研究与创新署（UKRI）科学技术设施委员会（STFC）以及Klarman奖学金提供。