距離地球約900光年之處，有一個名為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大風(fēng)暴侵襲，一場橫跨半個星球的大氣風(fēng)暴正在上演。這不僅是科學(xué)家首次對太陽系外行星的大氣層展開如此深入的研究，更是揭示宇宙極端環(huán)境下行星氣候運行機制的重大突破。

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

WASP-121b屬于一類被稱作“超熱木星”的系外行星。木星是太陽系中最大的行星，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個地球小時就能完成一次公轉(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。或許這個概念聽起來有些陌生，但在太陽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。對于像WASP-121b這樣的行星，潮汐鎖定意味著行星的一面永遠朝向它的恒星，這一面被稱為白晝面；另一面則永遠背對恒星，被稱為黑夜面。

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

傳統(tǒng)的熱木星就已引起天文學(xué)家的極大興趣，因為在太陽系中找不到與之對應(yīng)的天體。太陽系的氣態(tài)巨行星，如木星、土星、天王星和海王星，都處于較遠的軌道上，溫度相對較低。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相互作用導(dǎo)致的。隨著行星離恒星越來越近，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)家團隊借助位于智利北部阿塔卡馬沙漠地區(qū)的甚大望遠鏡（VLT），對這顆行星展開深入研究，發(fā)現(xiàn)了令人驚嘆的大氣層結(jié)構(gòu)和動力學(xué)過程。

在地球上，常見的降水通常由水構(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，參與這個過程的并非水，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)金屬蒸氣到達溫度較低的黑夜面時，便開始凝結(jié)，形成液態(tài)金屬小滴，最終以“鐵雨”的形式落下。

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

更令人驚訝的是WASP-121b的風(fēng)暴系統(tǒng)。研究人員通過構(gòu)建行星大氣層的三維圖，發(fā)現(xiàn)了一個復(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型的風(fēng)。研究人員通過追蹤鐵、鈉和氫等元素的運動，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)急流穿過行星黑夜面與白晝面的分界線時，會劇烈攪動高空的大氣，創(chuàng)造出極端的天氣條件。

法國蔚藍海岸天文臺的研究員茱莉亞?維多利亞?西德爾指出，即使是太陽系中最強的颶風(fēng)，與WASP-121b的風(fēng)暴相比也顯得風(fēng)平浪靜，這一觀點強調(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。這與地球上的大氣循環(huán)原理類似，但規(guī)模和強度要大得多。

在地球上，赤道地區(qū)接收到的太陽能比極地地區(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)。不過地球上的溫差相對較小，且行星各個部分都會經(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)接受母恒星的強烈輻射，溫度可能超過2500攝氏度，而黑夜面則相對“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WASP-121b大氣層的這種復(fù)雜測繪，得益于甚大望遠鏡的ESPRESSO（巖石系外行星和穩(wěn)定光譜觀測的階梯光譜儀）儀器。甚大望遠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為天文觀測提供了絕佳條件。

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

研究團隊利用一種稱為“凌星”的現(xiàn)象來研究WASP-121b的大氣層。凌星發(fā)生在行星從地球觀測者角度經(jīng)過其恒星前方時。當(dāng)行星穿過恒星的視線時，一小部分恒星的光會穿過行星的大氣層到達地球。通過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，團隊觀察了WASP-121b完整地從其恒星前方經(jīng)過的一次“凌星”過程。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到多種化學(xué)物質(zhì)的特征。

太空望遠鏡科學(xué)研究所的研究員萊昂納多?阿?多斯?桑托斯表示，甚大望遠鏡讓研究人員能夠一舉探測到這顆系外行星大氣層的三個不同層次。研究人員通過追蹤鐵、鈉和氫的運動，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。

研究團隊還有一個意外發(fā)現(xiàn)，在急流下方不遠處發(fā)現(xiàn)了鈦。這一發(fā)現(xiàn)格外有趣，因為此前對WASP-121b的觀測顯示這種元素是缺失的。研究人員推測，這種差異可能是因為鈦含量被隱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，能夠研究如此遙遠距離的行星的化學(xué)成分和天氣模式等細節(jié)，實在令人驚嘆。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，需要更深入的觀測和研究。

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

通過研究這樣的極端環(huán)境，科學(xué)家能夠測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)的不斷進步，天文學(xué)家將能夠?qū)ο低庑行沁M行更深入的研究。詹姆斯?韋伯空間望遠鏡已于2021年底發(fā)射升空，它的紅外觀測能力將使科學(xué)家能夠更詳細地研究系外行星的大氣成分和結(jié)構(gòu)。

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

科學(xué)家還計劃開展更多針對系外行星大氣層的長期監(jiān)測項目，以了解這些遙遠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似的世界？