近日，中国科学院紫金山天文台领衔的研究团队利用詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）数据，采用创新的二维大气反演模型，成功揭示了热木星WASP-39 b大气层晨昏不对称的现象，并首次引入基于浅水模拟的动力学约束来提供物理上合理的晨昏温度差异。该成果于2025年5月7日发表在国际天文期刊《The Astronomical Journal》。

系外行星大气研究对理解行星形成、演化和宜居性具有重要意义。通过解译不同类型行星的大气成分和结构，可追溯行星系统的形成历史与行星迁移路径，并评估其潜在的生命宜居环境。受大气环流影响，系外行星晨昏两侧大气可能在温度、成分和气溶胶特性上存在显著差异。虽然高分辨率地基观测已在多颗超热/热木星中揭示晨昏大气不对称，但具备红外能力的空间望远镜（如JWST）凭借其卓越的光谱观测和时空分辨率，可为精准探测晨昏线上的温度梯度与化学分布带来全新视角。

WASP-39 b是一颗温热的土星质量行星，围绕着一颗距离地球约700光年的G型恒星运行，轨道周期约为4天，平衡温度约为900℃，其大气层膨胀且相对通透，是研究系外行星大气成分的理想目标。JWST对该行星进行了详细观测，已在其大气中探测到水、二氧化硫、二氧化碳等多种分子，使得WASP-39 b成为JWST时代温热气态巨行星大气研究的基准案例，为系外行星大气化学和动力学研究树立了重要标杆。然而，在JWST早期科学项目的研究中均采用传统的一维大气模型来解释WASP-39b的大气特性，未能充分利用JWST提供的高精度数据来探究行星晨昏大气可能存在的不对称现象。

研究团队基于WASP-39 b系统特性，构建了四种二维透射光谱模型并与传统一维方法进行对比。其中，两种模型创新性地融入了基于浅水模拟的动力学约束，为晨昏温度差异提供了物理上合理的约束条件（图 1）。团队进一步对JWST NIRSpec/PRISM观测数据及前期HST、VLT和Spitzer望远镜的合并数据集进行了分析，结果强烈支持二维反演模型优于传统一维方法，确认了这颗热木星存在显著的晨昏大气不对称现象：晨间区域温度较低、多云且雾霾散射较为强；而傍晚区域温度更高且相对晴朗。

在二维框架内，无约束模型反演出的晨昏温差显著大于引入动力学约束模型，也大于独立晨昏光谱反演所得到的温差。但无约束模型的结果能够更好地拟合CO₂的光谱特征（图2）。目前从贝叶斯证据角度，尚无法明确判断这些二维方法之间的优劣。研究结果支持晨昏大气中拥有一致的碳氧比(C/O)，但云和霾的性质差异显著（图3）。这一研究方法为今后对更多热木星样本的研究提供了新途径，有助于深入了解这类行星的大气晨昏不对称现象。

研究团队首次将动力学约束引入系外行星大气晨昏不对称的研究中，为理解系外行星大气环流和成分与气溶胶分布提供了全新视角。研究表明，考虑晨昏不对称对准确解读系外行星透射光谱至关重要，这将显著提高未来JWST和其他天文设施对系外行星大气特性评估的准确性。

该项研究第一作者为紫金山天文台博士研究生陈紫欣，通讯作者为其指导老师季江徽研究员，合作者包括紫金山天文台陈果研究员、上海交通大学李政道研究所谭先瑜副教授、中国科学技术大学严飞特任教授。该项研究得到了国家自然科学基金重点项目、中国科学院空间科学先导专项等项目的资助。

文章链接：https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-3881/adc803

图1. 浅水模型模拟WASP-39 b 的温度分布图

图2. 四种二维模型反演的晨（蓝色）昏（红色）光谱与JWST NIRSpec/PRISM > 2um部分观测结果对比

图3. 四种二维模型对三个数据集反演得到的云顶压强、霾散射斜率、霾增强系数结果。