系外行星大气研究对人类理解行星形成、演化及宜居性具有重要意义。科研人员通过解译不同类型的行星大气成分和结构，可追溯行星系统形成历史与行星迁移路径，并评估其潜在的生命宜居环境。受大气环流影响，系外行星晨昏两侧大气或在温度、成分及气溶胶特性等方面存在差异。目前，高分辨率地基观测已在多颗超热/热木星中揭示晨昏大气不对称，但具备良好的红外能力、光谱观测及时空分辨率的空间望远镜，可为精准探测晨昏线上温度梯度与化学分布带来新视角。
WASP-39 b是围绕距离地球约700光年的G型恒星运行的温热土星质量行星，其轨道周期约为4天，平衡温度约为900℃，大气层膨胀且相对通透，是研究系外行星大气成分的理想目标。此前，詹姆斯·韦布空间望远镜对该行星进行了详细观测，并在大气中探测到水、二氧化硫、二氧化碳等多种分子，为系外行星大气化学和动力学研究树立了重要标杆。但是，詹姆斯·韦布空间望远镜早期科学项目研究中均采用传统的一维大气模型来解释WASP-39 b大气特性，未能充分利用詹姆斯·韦布空间望远镜提供的高精度数据来探究行星晨昏大气或存在的不对称现象。
近日，中国科学院紫金山天文台研究员季江徽团队联合上海交通大学、中国科学技术大学科研人员，利用詹姆斯·韦布空间望远镜数据与二维大气反演模型，揭示了热木星WASP-39 b大气层晨昏不对称现象，并引入基于浅水模拟的动力学约束来提供物理合理的晨昏温度差异。
该团队基于WASP-39 b系统特性，构建四种二维透射光谱模型，并与传统一维方法进行对比。其中，两种模型融入基于浅水模拟的动力学约束，为晨昏温度差异提供物理上合理的约束条件。同时，研究人员对詹姆斯·韦布空间望远镜NIRSpec/PRISM观测数据、前期HST、VLT及Spitzer望远镜合并数据集进行分析。结果表明，二维反演模型优于传统一维方法，并确认WASP-39 b存在显著的晨昏大气不对称现象，且WASP-39 b晨间区域多云、温度较低、雾霾散射较强，而傍晚区域温度更高且相对晴朗。
进一步，该团队在二维框架内无约束模型反演出晨昏温差大于引入动力学约束模型，且大于独立晨昏光谱反演所得到的温差，但无约束模型结果可更好地拟合CO2光谱特征。目前，从贝叶斯证据角度，难以判断这些二维方法之间的优劣。研究表明，晨昏大气中拥有一致的碳氧比(C/O)，但云和霾性质差异显著。
这一研究有助于学界深入了解温热土星质量行星的大气晨昏不对称现象，为今后热木星样本研究提供了新途径。同时，该研究将动力学约束引入系外行星大气晨昏不对称研究中，有望为学界探讨系外行星大气环流、成分及气溶胶分布提供新视角，并提高詹姆斯·韦布空间望远镜和其他天文设施对系外行星大气特性评估的准确性。
相关研究成果发表在《天文学杂志》（The Astronomical Journal）上。研究工作得到国家自然科学基金委员会、中国科学院等的支持。
论文链接
浅水模型模拟WASP-39 b 的温度分布图
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