距離地球約900光年之處，有一個(gè)名為WASP-121b的星球。它與地球截然不同，其溫度高得超乎想象，高到能讓鐵熔化為液體，形成鐵雨。近期，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，這顆行星正遭受前所未有的強(qiáng)大風(fēng)暴侵襲，一場(chǎng)橫跨半個(gè)星球的大氣風(fēng)暴正在上演。這不僅是科學(xué)家首次對(duì)太陽(yáng)系外行星的大氣層展開(kāi)如此深入的研究，更是揭示宇宙極端環(huán)境下行星氣候運(yùn)行機(jī)制的重大突破。

系外行星，即太陽(yáng)系之外的行星，它們圍繞其他恒星轉(zhuǎn)動(dòng)。人類(lèi)確認(rèn)的第一顆系外行星于1992年被發(fā)現(xiàn)。隨著天文觀測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，科學(xué)家已在銀河系中確認(rèn)了超過(guò)5000顆系外行星，它們的種類(lèi)與特性豐富多樣，展現(xiàn)出了行星系統(tǒng)令人驚嘆的多樣性。

WASP-121b屬于一類(lèi)被稱(chēng)作“超熱木星”的系外行星。木星是太陽(yáng)系中最大的行星，而超熱木星質(zhì)量與木星相近，但其軌道卻極其靠近母恒星，屬于氣態(tài)巨行星

WASP-121b的質(zhì)量約為太陽(yáng)系中木星的1.2倍，然而它與自身恒星的距離近到只需短短30個(gè)地球小時(shí)就能完成一次公轉(zhuǎn)，也就是這顆行星的“一年”。

這種近距離的軌道導(dǎo)致了一種有趣的現(xiàn)象——潮汐鎖定?；蛟S這個(gè)概念聽(tīng)起來(lái)有些陌生，但在太陽(yáng)系中就能找到典型例子，比如月球。由于月球始終以同一面朝向地球，所以從地球上永遠(yuǎn)只能看到月球的一面，這就是潮汐鎖定的結(jié)果。

潮汐鎖定的成因是恒星或行星的引力作用，使衛(wèi)星或行星的自轉(zhuǎn)逐漸減慢，最終自轉(zhuǎn)周期與公轉(zhuǎn)周期相同。對(duì)于像WASP-121b這樣的行星，潮汐鎖定意味著行星的一面永遠(yuǎn)朝向它的恒星，這一面被稱(chēng)為白晝面；另一面則永遠(yuǎn)背對(duì)恒星，被稱(chēng)為黑夜面。

這種情況產(chǎn)生了驚人的溫度差異。WASP-121b的白晝面直接面對(duì)恒星，溫度高達(dá)數(shù)千攝氏度，足以使鐵等金屬熔化甚至氣化。而背對(duì)恒星的黑夜面則相對(duì)“涼爽”，盡管以地球的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看依舊非常炎熱。

傳統(tǒng)的熱木星就已引起天文學(xué)家的極大興趣，因?yàn)樵谔?yáng)系中找不到與之對(duì)應(yīng)的天體。太陽(yáng)系的氣態(tài)巨行星，如木星、土星、天王星和海王星，都處于較遠(yuǎn)的軌道上，溫度相對(duì)較低。而熱木星卻處于極近的軌道，面臨著極端的環(huán)境條件。

科學(xué)家認(rèn)為，熱木星可能并非在當(dāng)前位置形成，而是在形成后通過(guò)軌道遷移逐漸靠近母恒星。這種遷移可能是與其他行星或行星盤(pán)相互作用導(dǎo)致的。隨著行星離恒星越來(lái)越近，溫度不斷升高，最終形成了像WASP-121b這樣的超熱木星。

WASP-121b的大氣層呈現(xiàn)出前所未有的復(fù)雜天氣模式。天文學(xué)家團(tuán)隊(duì)借助位于智利北部阿塔卡馬沙漠地區(qū)的甚大望遠(yuǎn)鏡（VLT），對(duì)這顆行星展開(kāi)深入研究，發(fā)現(xiàn)了令人驚嘆的大氣層結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)過(guò)程。

在地球上，常見(jiàn)的降水通常由水構(gòu)成。水在高溫下蒸發(fā)成水蒸氣，上升到較高的大氣層，隨后在低溫環(huán)境中凝結(jié)成水滴，形成人們熟悉的雨、雪或冰雹。

但在WASP-121b上，參與這個(gè)過(guò)程的并非水，而是金屬元素，尤其是鐵。在行星熾熱的白晝面，高溫使鐵等金屬元素蒸發(fā)成氣體。這些金屬蒸氣隨著大氣環(huán)流被帶到較涼爽的黑夜面。當(dāng)金屬蒸氣到達(dá)溫度較低的黑夜面時(shí)，便開(kāi)始凝結(jié)，形成液態(tài)金屬小滴，最終以“鐵雨”的形式落下。

這種現(xiàn)象在太陽(yáng)系中毫無(wú)對(duì)應(yīng)物。想象一下，若站在WASP-121b的黑夜面，抬頭望向天空，可能會(huì)看到由熔融金屬組成的雨滴從天而降，這簡(jiǎn)直就像科幻小說(shuō)中的情節(jié)，然而，這卻是真實(shí)存在的自然現(xiàn)象。

更令人驚訝的是WASP-121b的風(fēng)暴系統(tǒng)。研究人員通過(guò)構(gòu)建行星大氣層的三維圖，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)復(fù)雜的風(fēng)暴系統(tǒng)：一條巨大的急流橫跨行星的一半，帶動(dòng)物質(zhì)環(huán)繞赤道旋轉(zhuǎn)。在行星的不同大氣層中存在著不同類(lèi)型的風(fēng)。研究人員通過(guò)追蹤鐵、鈉和氫等元素的運(yùn)動(dòng)，確定了行星大氣層深處、中部和淺層的風(fēng)向和風(fēng)速。當(dāng)急流穿過(guò)行星黑夜面與白晝面的分界線時(shí)，會(huì)劇烈攪動(dòng)高空的大氣，創(chuàng)造出極端的天氣條件。

法國(guó)蔚藍(lán)海岸天文臺(tái)的研究員茱莉亞?維多利亞?西德?tīng)栔赋?，即使是太?yáng)系中最強(qiáng)的颶風(fēng)，與WASP-121b的風(fēng)暴相比也顯得風(fēng)平浪靜，這一觀點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了WASP-121b天氣系統(tǒng)的極端性質(zhì)。

WASP-121b劇烈的大氣循環(huán)主要由巨大的溫度差異驅(qū)動(dòng)。這與地球上的大氣循環(huán)原理類(lèi)似，但規(guī)模和強(qiáng)度要大得多。

在地球上，赤道地區(qū)接收到的太陽(yáng)能比極地地區(qū)多，這種溫差導(dǎo)致了大氣循環(huán)，暖空氣上升，冷空氣下沉，形成了人們熟悉的風(fēng)和天氣系統(tǒng)。不過(guò)地球上的溫差相對(duì)較小，且行星各個(gè)部分都會(huì)經(jīng)歷晝夜交替。

而在WASP-121b上，由于潮汐鎖定，溫差不僅極端，而且是永久性的。白晝面持續(xù)接受母恒星的強(qiáng)烈輻射，溫度可能超過(guò)2500攝氏度，而黑夜面則相對(duì)“涼爽”。這種永久性的極端溫差創(chuàng)造了持續(xù)而猛烈的大氣環(huán)流，將元素和能量從白晝面輸送到黑夜面。

對(duì)WASP-121b大氣層的這種復(fù)雜測(cè)繪，得益于甚大望遠(yuǎn)鏡的ESPRESSO（巖石系外行星和穩(wěn)定光譜觀測(cè)的階梯光譜儀）儀器。甚大望遠(yuǎn)鏡位于智利北部的阿塔卡馬沙漠，這里的高海拔和干燥氣候?yàn)樘煳挠^測(cè)提供了絕佳條件。

甚大望遠(yuǎn)鏡實(shí)際上是由四臺(tái)主鏡直徑為8.2米的大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡組成的陣列。它能夠?qū)⒉煌h(yuǎn)鏡的光線合并起來(lái)，分析的光線量是單個(gè)儀器可用的四倍，這使得它能夠捕捉到行星大氣層中更微弱的細(xì)節(jié)。

研究團(tuán)隊(duì)利用一種稱(chēng)為“凌星”的現(xiàn)象來(lái)研究WASP-121b的大氣層。凌星發(fā)生在行星從地球觀測(cè)者角度經(jīng)過(guò)其恒星前方時(shí)。當(dāng)行星穿過(guò)恒星的視線時(shí)，一小部分恒星的光會(huì)穿過(guò)行星的大氣層到達(dá)地球。通過(guò)分析這部分光線的光譜，科學(xué)家可以確定行星大氣層中存在哪些元素。

在此次研究中，團(tuán)隊(duì)觀察了WASP-121b完整地從其恒星前方經(jīng)過(guò)的一次“凌星”過(guò)程。這種方法使得研究人員能夠在超熱木星的大氣層的不同層次中探測(cè)到多種化學(xué)物質(zhì)的特征。

太空望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究所的研究員萊昂納多?阿?多斯?桑托斯表示，甚大望遠(yuǎn)鏡讓研究人員能夠一舉探測(cè)到這顆系外行星大氣層的三個(gè)不同層次。研究人員通過(guò)追蹤鐵、鈉和氫的運(yùn)動(dòng)，成功追蹤了WASP-121b大氣層深處、中部和淺層的風(fēng)向和風(fēng)速。

研究團(tuán)隊(duì)還有一個(gè)意外發(fā)現(xiàn)，在急流下方不遠(yuǎn)處發(fā)現(xiàn)了鈦。這一發(fā)現(xiàn)格外有趣，因?yàn)榇饲皩?duì)WASP-121b的觀測(cè)顯示這種元素是缺失的。研究人員推測(cè)，這種差異可能是因?yàn)殁伜勘浑[藏在超熱木星大氣層的深處。

隆德大學(xué)的研究員比比安娜?普里諾思指出，能夠研究如此遙遠(yuǎn)距離的行星的化學(xué)成分和天氣模式等細(xì)節(jié)，實(shí)在令人驚嘆。這一意外發(fā)現(xiàn)提醒科學(xué)家們，系外行星的大氣層結(jié)構(gòu)可能比之前想象的更為復(fù)雜，需要更深入的觀測(cè)和研究。

WASP-121b的極端天氣系統(tǒng)為行星科學(xué)帶來(lái)了全新的視角。正如西德?tīng)査f(shuō)，這顆行星的大氣層表現(xiàn)出了挑戰(zhàn)人們對(duì)天氣運(yùn)行方式的理解，不僅僅是地球上的天氣，而是所有行星上的天氣。

通過(guò)研究這樣的極端環(huán)境，科學(xué)家能夠測(cè)試和完善行星大氣物理學(xué)模型。這些模型不僅適用于系外行星，也能幫助人們更好地理解太陽(yáng)系內(nèi)行星，包括地球自身的氣候系統(tǒng)。

這種多樣性不僅具有純科學(xué)意義，也與尋找可能適合生命存在的行星相關(guān)。雖然像WASP-121b這樣的超熱木星顯然不適合人類(lèi)已知的生命形式，但了解這些極端環(huán)境有助于科學(xué)家確定宜居行星的特征和條件。

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，天文學(xué)家將能夠?qū)ο低庑行沁M(jìn)行更深入的研究。詹姆斯?韋伯空間望遠(yuǎn)鏡已于2021年底發(fā)射升空，它的紅外觀測(cè)能力將使科學(xué)家能夠更詳細(xì)地研究系外行星的大氣成分和結(jié)構(gòu)。

此外，未來(lái)的地面望遠(yuǎn)鏡，如歐洲極大望遠(yuǎn)鏡（E-ELT）和三十米望遠(yuǎn)鏡（TMT），將擁有比現(xiàn)有望遠(yuǎn)鏡大得多的主鏡，能夠收集更多的光線，提供更清晰的觀測(cè)結(jié)果。

科學(xué)家還計(jì)劃開(kāi)展更多針對(duì)系外行星大氣層的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，以了解這些遙遠(yuǎn)世界的氣候變化和季節(jié)性變化。這些研究將幫助人們回答一些最基本的問(wèn)題：行星大氣系統(tǒng)如何演化？極端環(huán)境下的行星能否保持穩(wěn)定的氣候？宇宙中是否存在與地球氣候類(lèi)似的世界？