一项新的研究揭示了1300光年外强风的结构
系外行星WASP-121b示意图。来源：uux.cn/NASA
（神秘的地球uux.cn）据《对话》（薇薇安·帕门蒂耶，朱莉娅·维多利亚·塞德尔）：行星WASP-121b是极端的。它是一颗气体巨星，几乎是木星的两倍大，在离恒星非常近的轨道上运行，比地球绕太阳的距离近50倍。WASP-121b离它的恒星如此之近，以至于潮汐力将它的旋转锁定在“共振”中：这颗行星总是对它的恒星显示相同的一面，就像月球对地球一样。因此，WASP-121b的一侧不断在光照下烘烤，而另一侧则处于永恒的黑夜中。这种差异导致整个地球的温度发生巨大变化。它的一侧可以超过3000°C，另一侧可以下降1500°C。
这种巨大的温度对比是强风的来源，风速每秒几公里，试图将能量从白天重新分配到晚上。到目前为止，我们不得不通过间接测量来猜测风的强度和方向，例如测量行星的温度。近年来，随着巨型望远镜上新仪器的出现，我们能够直接测量某些系外行星的风速，包括WASP-121b。
在我的同事Julia Seidel在《自然》杂志上发表的研究中，我们不仅研究了系外行星上的风速，还研究了这些风如何随高度变化。我们首次能够测量到大气层最深层的风与高海拔地区的风有很大不同。这么说吧：在地球上，每小时几十公里的风已经让骑自行车变得困难；在WASP-121b上，踏板是不可能的，因为风速快了一百倍。
我们的测量揭示了大气中一个关键区域的行为，该区域形成了深层大气（通常由詹姆斯·韦伯太空望远镜等望远镜进行测量）与大气由恒星风吹向太空的外层区域之间的联系。
我们如何测量数百万亿公里外行星的大气层？
为了进行测量，我们使用了地球上最精确的光谱仪之一，安装在我们可用的最大望远镜上：位于智利阿塔卡马沙漠的欧洲南方天文台（ESO）甚大望远镜（VLT）的ESPRESSO。为了收集尽可能多的光线，我们将VLT的四个直径为8米的望远镜的光线组合在一起。由于这种组合仍在测试中，我们收集的光线与直径16米的望远镜一样多，这将比地球上任何光学望远镜都大。
超精确的ESPRESSO光谱仪使我们能够将来自地球的光分离成130万个波长。这使我们能够观察到可见光谱中尽可能多的颜色。这种精度对于探测地球大气层中不同类型的原子是必要的。这一次，我们研究了三种不同类型的原子如何吸收恒星的光：氢、钠和铁（考虑到非常高的温度，它们都是气态的）。
通过非常精确地测量这些谱线的位置，我们能够直接测量这些原子的速度。多普勒效应告诉我们，向我们靠近的原子会吸收更多的蓝光，而远离我们的原子会吸附更多的红光。通过测量每个原子的吸收波长，我们可以对这个星球上的风速进行尽可能多的不同测量。
我们发现不同原子的线条讲述了不同的故事。铁以每秒5公里的速度从亚星点（行星最靠近其主星的区域）以非常对称的方式移动到反星点（最远）。另一方面，钠会分裂成两部分：一些原子像铁一样移动，而另一些原子在赤道上直接从东向西移动的速度要快四倍，达到每秒20公里的惊人速度。最后，氢似乎随着钠的东西向流动而移动，但也在垂直方向上，无疑使其能够逃离地球。
为了调和这一切，我们计算出这三个不同的原子实际上位于大气的不同部分。虽然铁原子位于较深的层，预计会有对称的循环，但钠和氢让我们可以探测到更高的层，在那里，行星的大气层被来自其主恒星的风吹走。这种恒星风，再加上行星的旋转，可能会不对称地携带物质，其优先方向由行星的旋转决定。
为什么要研究系外行星的大气层？
WASP-121b是温度超过1000°C的巨型气态行星之一，被称为“热木星”。米歇尔·马约尔和迪迪埃·奎洛兹（后来为他们赢得了诺贝尔物理学奖）在1995年首次观测到这些行星时令人惊讶，特别是因为行星形成模型预测这些巨型行星不可能在离恒星如此近的地方形成。马约尔和奎洛兹的观察让我们意识到，行星不一定在它们目前所在的地方形成。相反，他们可以迁移，即在年轻时四处走动。
“热木星”离它们的恒星有多远？这些物体在婴儿期会迁移多远？为什么我们太阳系中的木星没有向太阳迁移？（我们很幸运它没有，因为它会同时将地球送入我们的恒星。）
这些问题的一些答案可能存在于系外行星的大气层中，这些大气层显示出它们形成条件的痕迹。然而，每个大气层内温度或化学成分的变化可能会从根本上扭曲我们试图用詹姆斯·韦伯等大型望远镜进行的大量测量。为了利用我们的测量结果，我们首先需要掌握这些大气有多复杂。
要做到这一点，我们需要了解控制这些行星大气层的基本机制。在太阳系中，风可以直接通过观察云层移动的速度来测量。在系外行星上，我们无法直接看到任何细节。
特别是，“热木星”的轨道非常靠近它们的恒星，以至于我们无法在空间上将它们分开并拍摄系外行星的照片。相反，从数千颗已知的系外行星中，我们选择那些有品味的行星定期在它们的恒星和我们之间通过。在这个“凌日”期间，恒星发出的光被行星的大气层过滤，这使我们能够测量不同原子或分子的吸收迹象。一般来说，我们获得的数据不足以将穿过地球一侧的光与另一侧的光分开，我们最终得到的是大气层吸收的平均值。由于大气边缘的条件（即从太空观察到的行星周围的大气层）可能会发生巨大变化，因此解释最终的平均值往往是一件头疼的事。
这一次，通过使用一台实际上比地球上任何其他光学望远镜都大的望远镜，并将其与一台极其精确的光谱仪相结合，我们能够将地球边缘东侧吸收的信号与西侧吸收的信号分开。这使我们能够测量地球上风的空间变化。
系外行星大气研究的未来
欧洲目前正在建造下一代望远镜，由欧洲南方天文台的超大望远镜领导，计划于2030年建造。ELT将有一个直径为30米的镜子，是我们通过组合VLT的四个8米望远镜的光线获得的望远镜大小的两倍。
这台巨型望远镜将收集有关系外行星大气的更精确的细节。特别是，它将测量比“热木星”更小、更冷的系外行星的风
但我们真正在等待的是ELT能够测量在恒星宜居带轨道上运行的岩石行星大气中分子的存在，在那里，水可能以液态存在。
