重大突破

近日，中国科学院紫金山天文台的研究团队利用系外行星凌星期间的高分辨率红外透射光谱数据，首次在凌星相位探测到超热木星夜侧水蒸气的热发射信号，揭示其夜侧存在逆温结构，表明其热传输效率高于预期。该成果于2024年8月5日发表在《天体物理学杂志快报》（The Astrophysical Journal Letters）。

超热木星是一类紧邻宿主恒星运行、日侧温度极高（通常高于2200K）的气态巨行星。剧烈的昼夜温差使其成为研究极端环境下大气环流模式的理想对象。以往针对超热木星的研究，主要聚焦于行星在次食（即观测者视线方向上行星公转到恒星背后）相邻相位上的热发射现象，借此推断其日侧的热结构。然而，对于能约束夜侧热结构的凌星（即行星公转到恒星前方）相邻相位的观测研究则非常缺乏。尤其是凌星相位，传统的凌星观测都忽略了行星夜侧的热发射（如图1），在构建凌星光变曲线模型时将行星简化为不发光的黑色圆盘。

图1：超热木星大气在凌星期间产生的透射信号和夜侧热发射信号示意。

研究团队提出了一种新的适用于高分辨率透射光谱的一般方程，该方程考虑了凌星期间行星夜侧的热发射。以超热木星WASP-33b为例，研究人员基于新的模型采用互相关技术对其凌星数据进行了分析。结果显示，在凌星期间，WASP-33b的高分辨率透射光谱存在水蒸气的光谱信号，谱线轮廓呈发射线而非吸收线（如图2），表明其夜侧的温度呈现了随压强降低而升高的反转结构特征。这一发现不仅对现有的超热木星热结构模型提出了挑战，也为理解这些行星的三维化学、环流和热结构提供了全新的视角。

研究发现行星大气的三维结构对透射光谱也会产生显著影响，这可能是在WASP-33b探测到水蒸气热发射特征的原因之一。这表明，为了更准确地解释观测数据，当前的行星大气模型需要进一步考虑三维效应。此外，在热木星的高分辨率透射光谱观测中，不应忽视行星夜侧的热发射。利用这种观测手段，可以直接解析行星夜侧的温度结构，进而揭示有关行星大气特性的更多细节。

论文第一作者为紫金山天文台的硕士研究生杨远恒，通讯作者为指导老师陈果项目研究员。该工作得到了国家自然科学基金、中国科学院青年创新促进会等项目的资助。

论文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ad65cf

图2：超热木星WASP-33b夜侧水蒸气的热发射信号。上图展示了恒星静止帧的多普勒位移，中图展示了行星静止帧的叠加信号，下图展示了信噪比峰值处的一维互相关函数。其中蓝线标记凌星起始相位，红线为行星轨道运动速度，黑线和白线分别为预期值和实测值。