外行星的大气奥秘：哈勃揭示了一个热木星的大气变化

外行星是指太阳系以外的行星，它们的存在和特征一直是天文学家们探索宇宙的重要课题。近年来，随着观测技术的进步，人们对外行星的了解也越来越深入，尤其是对它们的大气层的研究。外行星的大气层可以反映出它们的温度、压力、化学成分、云层、风速等信息，这些信息对于理解外行星的形成、演化和生命可能性都至关重要。

然而，观测外行星的大气层并不容易，因为它们距离地球很远，而且它们大多围绕着比行星更大更亮的恒星运行。这意味着，能够用像哈勃这样先进的望远镜观测到外行星的天文学家通常必须结合他们所有的数据，才能得到足够的信息来对外行星的性质做出有信心的推断。

不过，有一颗外行星却成为了哈勃的常客，它就是WASP-121 b，一个被研究得很好的热木星。一个国际天文学家团队收集并重新处理了2016年、2018年和2019年用美国国家航空航天局/欧洲航天局哈勃太空望远镜对WASP-121 b的观测数据。这为他们提供了一个独特的数据集，不仅可以分析WASP-121 b的大气，还可以比较几年来外行星大气的状态。他们发现WASP-121 b的观测结果随时间变化的明显证据。然后，该团队使用复杂的建模技术来证明，这些时间变化可以用外行星大气中的天气模式来解释。

WASP-121 b（也被称为Tylos）是一个距离地球约880光年的外行星，它围绕着一个比太阳更大更亮的恒星运行，完成一次完整的轨道只需要30小时。WASP-121 b属于热木星的一种，热木星是一种没有直接太阳系类比的外行星：它们是膨胀的气态巨行星，非常靠近它们的母星运行，通常在几天内完成一次完整的轨道。热木星的表面温度非常高，有时甚至可以达到几千开尔文，这使得它们的大气层中可能存在一些罕见的化学物质，比如铁、钛或水蒸气。

WASP-121 b是一个超热的热木星，它的表面温度超过了3000开尔文，这是因为它与宿主星非常接近，只有0.025天文单位（约合375万公里）的距离，比水星与太阳的距离还要小得多。这样的距离意味着WASP-121 b受到了强烈的潮汐力，使得它呈现出椭圆形的形状，而不是球形。同时，WASP-121 b也是潮汐锁定的，也就是说这颗热木星总是向它所围绕的恒星呈现同一个半球的情况，就像月球是被地球潮汐锁定的，导致我们从没有看到过月球的背面一样。潮汐锁定的行星将在整个表面上有极不均匀的温度分布，朝向恒星的半球比另一半球热得多。

WASP-121 b的大气层是一个充满了惊奇和谜团的地方。在2016年，哈勃首次发现了WASP-121 b的大气层中含有水蒸气的证据，这是一个重要的发现，因为水是生命的基本条件之一。在2017年，哈勃又发现了WASP-121 b的大气层中含有金属氢化物的证据，比如钛氧化物和铁氧化物，这些物质在地球上是固态的，但在WASP-121 b上却是气态的，这表明了WASP-121 b的大气层非常热。在2018年，哈勃又发现了WASP-121 b的大气层正在逃逸的证据，这是因为WASP-121 b受到了宿主星的强烈辐射和引力，导致它的大气层像彗星的尾巴一样被吹走，这也意味着WASP-121 b可能正在缓慢地消失。

由于WASP-121 b的大气层非常有趣，哈勃对它进行了多次的观测，以期获得更多的信息。一个国际天文学家团队收集并重新处理了2016年、2018年和2019年用哈勃的广域相机3（WFC 3）对WASP-121 b进行的四组档案观测数据。完整的组装数据集包括：

该团队采取了一个独特的步骤，以相同的方式处理每个数据集，即使它之前可能已经被另一个团队处理过。外行星数据处理是耗时且复杂的，但这是值得的，因为它允许该团队直接比较每组观测的处理数据。该团队的主要研究者之一，太空望远镜科学研究所的欧洲航天局研究员Quentin Changeat说：

“我们的数据集代表了对单个行星的大量观测时间，目前是唯一一组这样的重复观测。我们从这些观测中提取的信息被用来表征（推断化学成分、温度和云层）WASP-121 b的大气在不同时间的情况。这为我们提供了这颗行星随时间变化的精美画面。”在清理每个数据集后，该团队发现WASP-121 b的观测结果随时间变化的明显证据。虽然仪器效应可能仍然存在，但数据显示了外行星热点的明显偏移，以及光谱特征（表示外行星大气的化学成分）的差异，表明大气的变化。

接下来，该团队使用了高度复杂的计算模型，试图理解外行星大气的观测行为。模型表明，他们的结果可以用准周期性的天气模式来解释，特别是由于朝向恒星和暗面的外行星之间的巨大温差而反复产生和消失的大型气旋。这一结果代表了在观测外行星天气模式方面的重大进步。

“我们的外行星大气模拟的高分辨率使我们能够准确地模拟像WASP-121 b这样的超热行星的天气，”加州理工学院的博士后研究员和这项研究的共同领导者Jack Skinner解释说。“在这里，我们通过将观测约束与大气模拟相结合，实现了理解这些行星上的时变天气的重大进步。”

“地球上的天气对我们生活的许多方面负有责任，事实上，地球气候和天气的长期稳定很可能是生命最初出现的原因，”Changeat补充说。“研究外行星的天气对于理解外行星大气的复杂性至关重要，尤其是在我们寻找具有适宜生存条件的外行星的过程中。”

未来用哈勃和其他强大的望远镜，包括即将于2024年发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜，对遥远世界进行的观测将提供更深入的了解外行星的天气模式：最终，可能找到具有稳定的长期气候和天气模式的外行星。这些外行星可能更适合生命的存在，也可能更容易被我们探测到。

WASP-121 b的研究为我们展示了一个外行星的大气变化的精彩案例，也为我们揭示了一个外行星的天气奥秘。这些发现不仅增加了我们对外行星的认识，也激发了我们对外行星的好奇心。或许有一天，我们能够亲眼见到这些遥远的世界，感受它们的风和温度，甚至发现它们的生命。