韋伯太空望遠鏡發現自由行星的複雜大氣層

NASA 詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）觀測的研究發現，自由飄浮的行星質量天體 SIMP 0136 比原認為更動態複雜。

以韋伯觀測，科學家成功偵測到SIMP 0136大氣層內雲層變化、溫度變化及碳化學成分變動。這項發現對了解類木行星的大氣動力學至關重要，並為未來利用NASA南希·格雷斯·羅曼太空望遠鏡（預定2027年運行）直接成像系外行星做好準備。

自由漂浮且快速旋轉的SIMP 0136

SIMP 0136質量約木星13倍，距離地球僅20光年，位於銀河系。雖然它是不環繞恆星運行的棕矮星，但是研究系外氣象學（exo-meteorology）的理想目標，因為它是北半球天空中最亮的這類天體，且不受宿主恆星光線的干擾。由於自轉週期僅2.4小時，使高效率觀測成為可能。

▲ 概念圖呈現SIMP 0136這顆孤立行星可能的外觀，基於NASA詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）、哈伯（Hubble）、史匹哲（Spitzer）及多個地面望遠鏡的觀測數據繪製。值得注意的是，這張圖片是根據光譜數據推測的，韋伯望遠鏡並未直接拍攝到SIMP 0136實際影像。（Source：NASA / ESA / CSA / Joseph Olmsted (STScI)）

繪製數千道紅外線彩虹

韋伯望遠鏡觀測之前，SIMP 0136已透過地面望遠鏡與NASA哈伯（Hubble）及史匹哲（Spitzer）太空望遠鏡觀測。以前研究顯示亮度會變化，可能是因為旋轉過程中雲層進入與離開視線所致，但團隊懷疑還有其他影響因素，如溫度變化、化學反應，甚至極光活動。

為了探究SIMP 0136大氣動態，團隊用韋伯近紅外光譜儀（NIRSpec）與中紅外儀器（MIRI）觀測紅外線波段變化，共捕捉數千條紅外線光譜。這些數據形成數百條詳細的光變曲線，顯示SIMP 0136不同波長亮度變化模式，揭示大氣結構的複雜性。團隊注意到有幾種不同的光變曲線形狀，任意時間內，某些波長更亮，其他波長變暗或根本沒有變化，一定有許多因素會影響亮度變化。

▲ 這些光變曲線（light curves）顯示了來自孤立行星SIMP 0136的近紅外光不同波長（顏色）亮度變化，隨著天體自轉而變動。數據由韋伯望遠鏡的近紅外光譜儀（NIRSpec）捕捉，2023年7月23日觀測約3小時，總計獲得5,726條光譜，每1.8秒記錄一次。右側的示意圖展示了 SIMP 0136 大氣可能的結構，其中不同顏色的箭頭對應光變曲線中的特定波長，粗箭頭代表較強（較亮）的光，細箭頭代表較弱（較暗）的光。（Source：NASA / ESA / CSA / Joseph Olmsted (STScI)）

斑駁雲層、熱點和碳分子

為了弄清楚SIMP 0136變化原因，研究團隊使用大氣模型來檢驗每種波長的光源自於大氣中的哪個位置。他們發現不同波長的變化來自於不同的大氣層深度，例如：一組波長源自於深層大氣，那裡含有由鐵顆粒組成的斑駁雲層；第二組來自較高的雲層，由微小的矽酸鹽顆粒構成，這兩條光變曲線的變化都與雲層的斑塊有關；第三組波長源自極高海拔，此處的光譜變化主要與溫度相關，亮點可能來自極光活動或深層熱氣體的上升。

有些光變曲線無法用雲層或溫度來解釋，顯示與大氣碳化學相關的變化，可能有一氧化碳和二氧化碳粒子旋轉與進出視野，或發生化學反應導致大氣隨著時間變化。這些結果表明，系外行星的大氣化學可能因時間與區域不同而有變化，對於未來的系外行星研究極具參考價值。