來自日內瓦大學 (UNIGE)、國家行星研究能力中心和蒙特利爾大學 (UdeM) Trottier 系外行星研究所 (IREx) 的天文學家利用詹姆斯·韋伯太空望遠鏡 (JWST) 取得了重大突破。研究人員首次連續追踪從系外行星繞恆星運行的大氣層逸出的氣體。
觀測結果揭示了一個意想不到的令人驚訝的結果：氣態巨行星WASP-121b並沒有被兩條巨大的氦流包圍，而這兩股巨大的氦流環繞著其一半以上的軌道。結合 UNIGE 開發的先進計算機模型，這些數據提供了迄今為止有關大氣逃逸的最詳細信息。這是一個強大的過程，可以在很長一段時間內改變行星的形狀。研究結果發表於 自然交流。
極端條件下的熱木星
WASP-121b 屬於一組被稱為熱木星的行星。這些氣態巨行星的軌道非常靠近它們的恆星，由於距離很近，WASP-121b 在短短 30 小時內完成了完整的公轉。來自恆星的強烈輻射導致地球大氣層升溫至數千度。
當發生極端高溫時，氫和氦等較輕元素會分解並飄入太空。數百萬年來，大氣物質的持續損失可能會顯著改變地球的大小、組成和長期演化。
為什麼持續觀察很重要？
到目前為止，天文學家只能研究短期行星凌日期間大氣層的逃逸。從地球的角度來看，這是一顆行星在其恆星前面運行的很短的一段時間。這些快照僅持續幾個小時，提供的信息也有限。
如果沒有持續的後續追踪，科學家就無法確定逸出的氣體延伸了多遠或其結構隨時間的變化。
詹姆斯·韋伯追踪的全軌道
研究小組使用詹姆斯·韋伯太空望遠鏡上的近紅外光譜儀（NIRISS）連續觀察了WASP-121b近37個小時。這個窗口覆蓋了不止一個完整的軌道。這使其成為有史以來在行星周圍記錄到的最廣泛的連續氦氣探測。
這種長時間的觀察使科學家能夠以無與倫比的細節和精度追踪大氣逃逸。
發現兩條巨大的氦尾
通過測量氦如何吸收紅外光，研究人員發現 WASP-121b 周圍的氣體遠遠超出了行星本身。氦信號在地球軌道的一半以上仍然可見。這是迄今為止最長的大氣逃逸連續觀測。
此外，氦氣不形成單一流。但它分裂成兩條不同的尾巴。一條路徑位於行星後面。它被恆星輻射和風推開。行星前面的其他曲線很可能被恆星的引力拉向前。當這些氣體流結合在一起時，其距離將延伸到地球直徑的 100 倍以上，或者是行星與恆星之間距離的三倍以上。
蒙特利爾大學博士後研究員羅曼·阿拉特 (Romain Allart) 表示：“我們對氦氣逸出的時間感到非常驚訝。”日內瓦大學前博士生、本報告的作者解釋說，這一發現揭示了形成系外行星大氣的物理過程的複雜性及其與恆星環境的相互作用。我們才剛剛開始發現這些世界的真正複雜性。 ”
模擬當前理論的局限性
日內瓦大學天文學系（UNIGE）長期以來一直是大氣逃逸研究的領導者。在那裡開發的數值模型在解釋 JWST 首次檢測到的氦氣方面發揮了關鍵作用。
UNIGE理學院天文學系博士生、該研究的合著者Yann Carteret表示，雖然這些模型描述了一個類似彗星的簡單氣體尾部，但已經成功地重建了在WASP-121b周圍觀察到的雙尾結構。 “這些發現表明，這些流的結構是重力和恆星風共同作用的結果。這使得新的 3D 模擬對於分析其物理現象至關重要。”
系外行星研究的下一步是什麼？
氦氣已成為追踪大氣逃逸的最強大工具之一，而 JWST 的靈敏度使科學家能夠在前所未有的距離和時間尺度上探測氦氣。未來的觀測將有助於確定 WASP-121b 周圍的雙尾結構在熱系外行星上是罕見還是常見。
研究人員還需要改進他們的理論模型，以更好地解釋重力、輻射和恆星風如何相互作用來塑造這些失控的大氣層。
“很多時候，新的觀測結果揭示了我們數值模型的局限性，並促使我們探索新的物理機制，以了解這些遙遠的世界，”日內瓦大學理學院天文學系教授兼研究員、該論文的合著者 Vincent Bourrier 總結道。
