近日，李政道研究所学者与国际合作者共同在Nature以“A broadband thermal emission spectrum of the ultra-hot Jupiter WASP-18b”为题发表了韦布望远镜的最新发现：韦布望远镜为一颗超热气态巨行星的大气层绘制地图并发现水的踪迹。

在这张艺术家的构想图中，WASP-18 b是一颗气态系外巨行星，质量比木星大 10 倍，仅需 23 小时即可绕其恒星运行一周。 研究人员使用詹姆斯·韦布太空望远镜研究了这颗行星在其恒星后面移动时的情况。 行星大气的温度高达 2,700 摄氏度。 图片来源：NASA/JPL-Caltech (K. Miller/IPAC)

距地球 400 光年的WASP-18 b是一颗有趣的系外行星，它的质量是木星的10倍，自 2009 年发现它以来，天文学家一直在研究它。WASP-18 b的一年，也就是围绕恒星的一个轨道周期， 仅有 23 小时，这比我们太阳系内任何的行星轨道周期要短得多。 除了地面天文台外，美国宇航局的哈勃望远镜（Hubble）、钱德拉望远镜（Chandra）、苔丝望远镜（TESS）和斯皮策太空望远镜（Spitzer）都已被用于观测 WASP-18 b。 现在，天文学家用詹姆斯·韦布太空望远镜（JWST）对它进行了观测，“第一”不断涌现。 

科学发现：科学家们在 WASP-18 b 的大气层中发现了水蒸气，并根据这颗行星从其恒星后面经过并重新出现的过程绘制了这颗行星的大气温度图。 该观测方法被称为星食。 科学家们读取来自恒星和行星的组合光，然后当行星移动到恒星后面时，根据仅有的恒星光来提炼行星的测量结果。 

WASP-18 b 很可能是潮汐锁相的，即行星的同一侧（日侧）始终面向恒星，就像月球的同一侧始终面向地球一样。 温度图，或亮度图，显示了该行星从面向恒星距离最近的点（下日点）到日侧的边缘含有高达1,000 摄氏度的巨大温差。

研究人员在WASP-18 b进入恒星背后然后又重新出现的过程中追踪了 WASP-18 b 的热辐射光，为其绘制了一张亮度图。 此事件称为星食。 科学家们可以测量来自恒星和行星的组合光，然后测量当行星被恒星掩盖时单独来自恒星的光。 该图是一条光变曲线，是一颗行星在其前方或后方移动时测得的恒星亮度变化。 使用詹姆斯·韦布太空望远镜获得的行星亮度图使研究人员能够确定行星大气层的温度分布图。 图片来源：NASA/JPL-Caltech (K. Miller/IPAC) 

“韦布太空望远镜的高灵敏度使我们能够为类似WASP-18 b 的热巨行星绘制比以往任何时候都更详细的地图。 这是韦布太空望远镜首次绘制行星地图，从结果中看到我们此前的一些理论模型预测真的很令人兴奋，例如温度随着远离下日点而急剧下降，这在数据中真实地体现了出来！”梅根·曼斯菲尔德说，她是亚利桑那大学的萨根博士后奖金获得者，论文的作者之一。 

该团队绘制了该行星日侧温度梯度图。 考虑到日侧边缘的温度如此的低，该结果说明可能有一些物理过程阻碍了风有效地将热量重新分配到夜间。 但到底是什么阻碍了风，至今仍是个谜。 

“WASP-18b 的亮度图显示了其在东西方向相对下日点的强烈对称性，这与其他热木星的模型形成了鲜明的对比。 一种可能的解释是行星大气与行星磁场有效地相互作用，这抑制了强烈的向东急流的形成。 直接从温度图上看到这种效果是非常令人振奋的！” 论文的合著者，上海交通大学副教授谭先瑜说。 

对日食地图的一种解释是，行星磁场迫使风从行星赤道向上吹过北极，向下吹过南极，而不是像我们预期的那样吹向东西方向。 

研究人员同时记录了这颗气态巨行星大气温度随着高度的变化。 他们看到温度随着海拔升高而升高，垂直温差达到数百摄氏度。 

光谱清晰地显示出多个小的但精确测量的水蒸气特征，尽管日侧温度达到近2,700 摄氏度。日侧是如此之热以至于高温撕裂了大部分水分子，但我们仍然看到水分子的存在说明韦布的非凡敏感性能检测到幸存的水分子。 WASP-18 b 大气光谱的变化幅度告诉我们不同高度的水蒸气含量。 

该团队利用詹姆斯·韦布太空望远镜的 NIRISS SOSS 仪器在0.85-2.8 微米波段范围内测量WASP-18 b的热发射光谱，该光谱包含了该行星发射总能量的 65%。这颗被潮汐锁相的行星的白天非常热（同一面总是朝向它的恒星，就像月球朝向地球一样）以至于水蒸气分子会被分裂。詹姆斯·韦布太空望远镜直接观测到该行星上相对少量的水蒸气，显示了望远镜的高灵敏度。 图片来源：NASA/JPL-Caltech (R. Hurt/IPAC) 

“第一次看到 WASP-18 b 的韦布太空望远镜光谱并看到微妙但精确测量的水特征，感觉很棒，”蒙特利尔大学研究生和WASP-18 b论文的主要作者 Louis-Philippe Coulombe 说。 “使用这样的测量，我们将能够在未来几年为广泛的行星检测到这样的分子！”

研究人员使用韦布的一个仪器——加拿大航天局提供的近红外成像仪和无狭缝光谱仪 (NIRISS)，对 WASP-18 b 进行了大约六个小时的观察。 

“因为这个光谱中的水分子特征非常微妙，在以前的观察中很难识别它们。 最终通过韦布太空望远镜的这些观测结果看到了水的特征，这真是令人兴奋！”卡内基科学研究所的博士后研究员，这项新研究的作者之一，Anjali Piette 说。 

研究团队：全球 100 多名科学家正在通过由加州大学圣克鲁兹分校的天文学家娜塔莉·巴塔利亚 (Natalie Batalha) 领导的凌星系外行星社区早期发布科学计划，从韦布开展早期科学研究，她帮助协调了这项新研究。 这些开创性的工作大部分是由早期职业科学家完成的，例如 Coulombe、Challener、Piette 和 Mansfield。上海交通大学李政道研究所的谭先瑜副教授为该研究贡献了数值模拟和理论解释。 

WASP-18 b 与其恒星和我们的距离都非常近，且质量巨大，这使得 WASP-18 b 成为科学家们感兴趣的目标。 WASP-18 b 是可以为我们提供大气研究的大质量行星之一，我们想知道这些行星是如何形成并到达它们所在的位置的。 这也有一些来自韦布的早期答案。 

“通过分析 WASP-18b 的光谱，我们不仅可以了解在其大气层中发现的各种分子，还可以了解它的形成方式。 我们从观察中发现，WASP-18 b 的成分与它的恒星非常相似，这意味着它很可能是由恒星诞生后留下的剩余气体形成的，”Coulombe 说。 “这些结果对于清楚地了解像 WASP-18 b 这样在我们的太阳系中没有对应物的奇怪行星是如何存在的非常有价值。”

科学家们使用詹姆斯·韦布太空望远镜观测了系外行星 WASP-18 b 及其恒星在行星被遮挡之前、期间和之后的情况。 通过测量行星在恒星后面运行时的光线变化，可以揭示行星的亮度分布。 通过这些测量，科学家们能够绘制出该行星日面的温度图。 显示温度范围：1,500 至 2,600 摄氏度。 图片来源：NASA/JPL-Caltech (R. Hurt/IPAC)

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06230-1