天文學家使用詹姆斯韋伯太空望遠鏡 (JWST) 發現超熱系外行星 WASP-121 b 的黎明和黃昏區域之間存在顯著差異。這些邊界區域被稱為終結者，標誌著地球永久白天和永久夜晚之間的過渡。這些發現提供了迄今為止最清晰的證據，證明這兩個地區具有不同的溫度和大氣成分，證實了先前僅在理論模型中可用的預測。
這項發現來自於 WASP-121 b 穿過其主星前方時穿過行星大氣層的紅外線恆星的測量。透過分析大氣在傳輸過程中如何過濾這些光，研究人員發現了一種不規則的吸收模式。
研究小組表示，這種不對稱性最好的解釋是地球早晚兩面的溫度和化學成分的差異。
MPIA 的 Cyril Gapp 表示：“憑藉前所未有的觀測質量，JWST 為我們提供了迄今為止最詳細的遙遠行星視圖：通過測量 WASP-121 b 旋轉時星光吸收的變化，我們可以逐個經度地研究其大氣層經度。”
觀察結果表明，晚上的終結者比早晨的終結者吸收更多的光。這符合當前關於強大氣風將熱量從炎熱的白天輸送到涼爽的夜晚的想法。當這些風沿著行星自轉的方向向東移動時，它們會更強烈地加熱夜間區域。
隨著溫度升高，大氣層膨脹。更大的大氣層對入射星光提供更大的剪切力，使其能夠吸收更多的輻射。
JWST 的 NIRSpec（近紅外光譜儀）儀器收集的數據也顯示，在傳輸結束時出現了更強的一氧化碳 (CO) 訊號。研究人員認為，這種變化是由溫度的影響引起的，而不是一氧化碳豐度的實際增加。
水（H2O）又講了一個故事。觀察結果表明，在較溫暖的大氣區域，水分子的含量較少。科學家將其解釋為實際的水滴，因為高層大氣的溫度足以將水分子分解成其組成部分。這項發現提供了額外的證據表明熱風在下午晚些時候變暖。
一顆擁有永恆晝夜的星球
探測如此微妙的大氣差異需要利用近軌道氣態巨行星的共同特徵。
隨著時間的推移，潮汐力使行星的自轉與其軌道同步，導致行星自轉一周所需的時間與繞恆星運行一周的時間相同。結果，一個半球不斷地註視著恆星，而另一個半球則處於永恆的黑暗中。
「WASP-121b 特別極端，白天平均溫度約為 2770 開爾文，夜間溫度約為 1000 開爾文，」澳洲紐卡斯爾大學的合著者 Tom Evans-Soma 解釋道。他之前確定了地球的溫度範圍，也隸屬於 MPIA。
白天溫度接近 2,500 攝氏度（4,525 華氏度），夜間溫度約為 725 度（1,340 華氏度）。
當行星經過其恆星時，它會在事件的開始和結束之間輕微旋轉。這種微小的旋轉使天文學家能夠觀察大氣層的不同部分。雖然夜晚的一面大部分是可見的，但科學家也可以看到黎明和黃昏的部分區域，並且根據凌日的階段，還可以看到更接近明亮白天的小區域。
軌道的開始部分對應於早晨的結束，結束部分對應於晚上的結束。
將傳輸時間轉換為大氣圖
為了研究大氣層，研究人員觀察了行星在凌日過程中亮度的變化。他們也研究了光譜，當光被分成其組成波長時就會產生光譜，就像棱鏡產生彩虹一樣。
不同的氣體吸收特定波長的光，使科學家能夠識別大氣中的化學物質。
當行星在其恆星表面移動時進行旋轉，訊號隨時間的變化對應於行星的不同經度。在整個軌道上，WASP-121 b 旋轉大約 30 度，足以以驚人的精度區分早晨（黎明）和晚上（黃昏）結束。
天文學家經常將所有凌日測量結果合併為一個平均訊號，以提高清晰度。然而，在這項研究中，加普和他的同事允許訊號隨著行星的旋轉而隨著時間的推移而變化。統計分析表明，這種方法與觀測結果的吻合程度明顯更高，證明了大氣差異是真實存在的。
目前模型中可能存在的雲缺失
為了理解觀測結果，研究人員對氣態巨行星高層大氣中的熱傳輸進行了電腦模擬。這些模型成功地再現了由溫差引起的整體不對稱性，但觀察到的效果比預測的要強。
這種差異表明其他過程可能正在影響大氣。
一種可能性是，上午晚些時候會經歷當前模型未捕獲的額外降溫。先前的研究顯示這些地區可能存在雲。與地球上的雲不同，它們可能由矽酸鹽等礦物質組成，而不是水滴。
這些雲可以阻擋來自下方較溫暖層的紅外線輻射，使大氣看起來比實際溫度更冷。
在快速變化的環境中對雲的形成、凝結和蒸發進行建模仍然極具挑戰性。因此，許多系外行星大氣模型，包括本研究中使用的模型，都沒有完全捕捉雲物理。
當團隊修改模擬以考慮雲的影響時，結果與觀察結果相符。然而，在研究人員能夠確定地確認 WASP-1210 億雲的存在之前，還需要更先進的建模。
研究極端系外行星的新方法
大氣模式的未來改進可能會使這項技術更加強大。
研究人員已經確定了其他具有適合類似研究的溫度和旋轉速度的超熱氣體巨星。透過將相同的方法應用於更大的行星樣本，天文學家希望比較不同世界的大氣條件如何變化，並更深入地了解它們的三維結構。
附加資訊
參與這項研究的 MPIA 天文學家包括 Cyril Gapp（也是海德堡大學）、Thomas M. Evans-Soma（紐卡斯爾大學，也是澳洲）和 Eva-Maria Ahrer。
其他研究人員包括：Aurélien Falco（法國巴黎索邦大學）、David K. Sing（美國巴爾的摩約翰霍普金斯大學）、Shashank Dholakia（澳大利亞聖盧西亞昆士蘭大學）、Vivien Parmentier（法國尼斯藍色海岸大學）、Jérémy Leconte（拉科爾多亞大學） d’Azur，法國大學）。
本研究中使用的 JWST 觀測結果是由標記為「超熱木星 WASP-121b 的 NIRSpec 相位曲線」的 GO 程式 #1729（PI：Thomas Evans-Soma，Co-PI：Tiffany Kataria）和標記為「超熱木星 WASP-1201 的 NIR-PI：Tiffany Kataria）和標記為「超熱木星 WASP-1201 的 NIRmTO 相位曲線的 GTO）和標記為「1201」的 NIRel：Specier。系外行星（NEAT）」。
NIRSpec（近紅外光譜儀）由歐洲工業界按照歐洲太空總署 (ESA) 規範建造，並由位於荷蘭 ESTEC（歐洲太空研究與技術中心）的 ESA JWST 專案管理。主承包商是位於德國奧托布倫的空中巴士防務與航太公司。 MPIA 為 NIRSpec 濾光片和網格輪的開發和製造做出了貢獻。 NIRSpec 偵測器和微快門陣列子系統由 NASA 戈達德太空飛行中心 (GSFC) 提供。
詹姆斯韋伯太空望遠鏡是世界領先的太空研究天文台。這是一個由 NASA 及其合作夥伴 ESA 和 CSA（加拿大航太局）領導的國際計畫。
