自1992 年發現第一顆系外行星以來，透過直接成像、引力微透鏡、測量凌日和天體測量等各種方法，已經確認了數千顆圍繞太陽系外恆星運行的行星。多年來，研究這些系外行星的技術不斷發展，天文學家了解到這些遙遠世界大氣成分的詳細資訊。美國國家航空暨太空總署的詹姆斯-韋伯太空望遠鏡正在繼續推進這一研究領域，加深我們對系外行星及其大氣層多樣性的了解。

研究人員利用詹姆斯-韋伯太空望遠鏡（James Webb Space Telescope）發現了系外行星WASP-39 b的大氣差異，揭示了其潮汐鎖定半球的溫度變化和獨特的雲層覆蓋。這顆行星的大小與木星相似，但質量更接近土星，與早晨的一面相比，傍晚的一面更熱，這歸因於強大的大氣環流。圖片來源：NASA、ESA、CSA、Joseph Olmsted（STScI）

最新發現是，韋伯望遠鏡讓天文學家解析了一顆潮汐鎖定係外行星早晚的大氣差異–對於像WASP-39 b這樣距離地球700光年的遙遠世界來說，這是一項令人難以置信的成就。

根據美國太空總署詹姆斯-韋伯太空望遠鏡以及其他太空和地面望遠鏡的間接凌日觀測結果，這幅藝術家的概念圖展示了系外行星WASP-39 b可能的樣子。資料來源：NASA、ESA、CSA、Ralf Crawford（STScI）

使用美國太空總署詹姆斯-韋伯太空望遠鏡的研究人員最終證實了模型先前的預測：一顆系外行星在其永恆的清晨和永恆的黃昏大氣層之間存在差異。 WASP-39 b是一顆直徑是木星1.3倍、質量與土星相近的巨型行星，它圍繞著一顆距離地球約700光年的恆星運行，與母恆星潮汐鎖定。這意味著它有恆定的白天和恆定的夜晚–行星的一面始終暴露在恆星下，而另一面則始終籠罩在黑暗中。

天文學家利用韋伯望遠鏡的近紅外線攝譜儀（NIRSpec）證實，WASP-39 b 星上永恆的清晨和永恆的黃昏之間存在溫度差異，黃昏的溫度要高出約300華氏度（約200攝氏度） 。他們也發現了不同雲層覆蓋的證據，行星上永遠的清晨部分可能比黃昏部分雲層更厚。

這段動畫介紹了韋伯如何利用透射光譜研究遙遠系外行星的大氣層。來源：NASA、ESA、CSA、Leah Hustak

天文學家分析了WASP-39 b的2-5微米透射光譜，這種技術可以研究系外行星的白天和夜晚的分界線。透射光譜是透過比較行星在恆星前方移動時透過大氣層過濾的星光和行星在恆星旁邊時探測到的未過濾星光來製作的。透過這種比較，研究人員可以獲得有關行星大氣層的溫度、成分和其他特性的資訊。

太空望遠鏡科學研究所的系外行星研究員、本研究的第一作者內斯托爾-埃斯皮諾薩說：”WASP-39 b已經成為用韋伯望遠鏡研究系外行星大氣層的一種基準行星。它有一個膨脹的、蓬鬆的大氣層，因此通過行星大氣層過濾的星光發出的信號相當強烈。

美國國家航空暨太空總署詹姆斯-韋伯太空望遠鏡的近紅外線攝譜儀（NIRSpec）繪製的光曲線顯示了當行星穿越恆星時，WASP-39恆星系統亮度隨時間的變化。此觀測是利用NIRSpec 的明亮天體時間序列模式進行的，該模式使用光柵來散​​射單個明亮天體（如WASP-39 b 的主星）的光線，並在設定的時間間隔內測量每個波長光線的亮度。資料來源：NASA、ESA、CSA、Ralf Crawford（STScI）

先前發表的WASP-39b 大氣層韋伯光譜顯示了二氧化碳、二氧化硫、水蒸氣和鈉的存在，代表了整個晝夜邊界–沒有詳細嘗試區分一邊和另一邊。

現在，新的分析從分界線區域建立了兩個不同的光譜，基本上將晝夜邊界分成了兩個半圓，一個來自傍晚，另一個來自清晨。數據顯示，傍晚的溫度明顯更高，達到灼熱的1450 華氏度（800 攝氏度），而早晨的溫度相對較低，為1150 華氏度（600 攝氏度）。

此透射光譜是利用韋伯望遠鏡的近紅外線攝譜儀（NIRSpec）PRISM明亮天體-時間序列模式拍攝的，它顯示了被熾熱氣體巨型系外行星WASP-39 b的大氣層阻擋的近紅外線星光的數量。

對WASP-39 b 的透射光譜的新分析從系外行星上靜止的晝夜邊界建立了兩個不同的光譜，基本上將這個區域分成了兩個半圓，一個來自傍晚，另一個來自清晨。數據顯示，傍晚的溫度明顯更高，達到灼熱的1450 華氏度（800 攝氏度），而早晨的溫度相對較低，為1150 華氏度（600 攝氏度）。藍線和黃線是一個最佳擬合模型，其中考慮了資料、WASP-39 b 及其恆星的已知屬性（如大小、質量、溫度）以及假定的大氣層特徵。資料來源：NASA、ESA、CSA、Ralf Crawford（STScI）

埃斯皮諾薩說：”我們能夠分析出這種微小的差異真的令人驚嘆，這只能歸功於韋伯在近紅外線波段的靈敏度及其極其穩定的光度感測器。在收集數據時，儀器或天文台的任何微小移動都會嚴重限制我們進行這一探測的能力。

透過對所獲數據進行廣泛建模，研究人員還可以研究WASP-39 b 大氣層的結構、雲層以及傍晚溫度較高的原因。雖然研究團隊未來的工作將研究雲層如何影響溫度，反之亦然，但天文學家證實，行星周圍的氣體循環是造成WASP-39 b 溫度差異的罪魁禍首。

在像WASP-39 b 這樣的高度輻照系外行星上，其軌道離恆星相對較近，研究人員通常預計，當行星圍繞恆星旋轉時，氣體也會隨之移動：白天較熱的氣體會通過強大的赤道噴流從傍晚移動到夜晚。由於溫差如此之大，氣壓差也會很大，進而導致風速很高。

研究人員利用大氣環流模型（類似於用於預測地球天氣模式的三維模型）發現，在WASP-39 b 上，盛行風很可能是從夜側穿過早晨的分界線，繞過日側，穿過傍晚的分界線，然後繞過夜側。因此，分界線的早晨一側要比傍晚一側涼爽。換句話說，早晨一側受到在夜間一側被冷卻的空氣風的衝擊，而傍晚一側則受到在白天一側被加熱的空氣風的衝擊。研究表明，WASP-39 b 上的風速可達每小時數千英里！

埃斯皮諾薩補充說：「這項分析也特別有趣，因為你可以獲得以前無法獲得的有關地球的三維資訊。因為我們可以看出，晚間邊緣的溫度更高，這意味著它更蓬鬆一些。

研究小組的研究成果發表在《自然》雜誌。

研究人員現在將尋求使用相同的分析方法來研究其他潮汐鎖定熱木星的大氣差異，這是韋伯第二週期一般觀測者計畫3969 的一部分。

WASP-39 b是韋伯望遠鏡在2022年開始常規科學運行時分析的首批目標之一。本研究中的數據是根據第1366號”早期發布科學計劃”收集的，該計劃旨在幫助科學家快速掌握望遠鏡儀器的使用方法，充分發揮其科學潛力。

編譯自/ ScitechDaily