作为地球人，我们大多数人都会关注天气预报，了解温度、风速和降水等气象信息，从而为出行、穿戴做好准备。这些天气信息主要来源于气象站和遥感卫星的测量。那么，对于遥远的系外行星，如何掌握它们的气象信息呢？我们通常利用地面和空间的大型望远镜来观测其大气的光谱，并通过分析推演出它们的各种气象特性。由于系外行星相对于恒星而言自身亮度较弱，直接观测行星的辐射较为困难。因此，大气的观测通常采用透射光谱法，即在行星发生凌星现象时，观测恒星光透过行星大气后产生的吸收。这种观测可以帮助我们获取行星晨昏分界线处的大气特征。

图1：透射光谱示意图。             

然而，即使采用透射光谱法以消除恒星辐射获取暗弱的行星信号，并且针对最适合观测、获取大气光谱信号相对容易的热木星，但了解其“气象”信息仍然极为困难。热木星是一类气态巨行星，其质量或半径与木星类似，但是距离主星很近，公转周期小于10天，且潮汐锁定，因此温度很高（平衡温度>=1000 K）。

近期，我们利用高质量的透射光谱，研究了热木星WASP-127b的大气特征，并首次获取了该行星独特的气象信息。WASP-127b是一颗非常蓬松的气态巨行星，其质量仅为土星的一半，但半径却是土星的1.5倍。这类蓬松行星一直是系外行星研究的重点对象，它们为何如此蓬松仍然是个谜团。我们使用了CRIRES+近红外高分辨率光谱仪对该行星进行了光谱探测。CRIRES+安装于欧洲南方天文台的甚大望远镜，并配备了极端自适应光学系统，可以大幅减弱因大气湍流导致的“星星眨眼睛”现象，从而获得更为锐利的图像和分辨率更高的光谱。该光谱仪的实测光谱分辨率达到了140,000。如此高的光谱分辨率使我们能够精确测量谱线的多普勒运动速度，从而实现对大气风速的探测。

在这颗行星的大气光谱中，我们清晰地探测到了水蒸气和一氧化碳的信号。测量到的吸收光谱呈现出令人惊讶的双峰谱线轮廓。这表明大气的一侧正高速向我们移动，而另一侧则高速远离我们。由于多普勒效应，靠近我们的大气谱线发生蓝移，远离我们的大气谱线发生红移，从而产生这种独特的双峰谱线结构。通过计算谱线的蓝移和红移数值，我们发现该行星赤道处存在强劲的环赤道喷流，喷流速度高达每秒9公里（约3万公里/小时）。这是迄今为止在行星中测量到的最高风速。相比之下，太阳系中最快的风速出现在海王星，仅为每秒0.5公里。地球赤道的大气环流速度约5米/秒，有记录的最高风速仅约110米/秒。前几天刚在北京经历过大风的小伙伴对13级风的威力可能已有所了解，但13级风的风速不超过40米/秒。热木星WASP-127b上如此快速的赤道大气环流可能与其极端蓬松的特性存在一定关联。    

图2：观测的大气吸收双峰谱线轮廓。             

图3：WASP-127b气象图。          

更进一步，我们还根据谱线的强度和轮廓反推出了行星气象图。我们知道，谱线的强度和轮廓与谱线发源地大气的温度及结构密切相关，因此详细的大气轮廓分析可以用于约束行星大气性质。为此，我们构建了行星大气模型，通过拟合水蒸气和一氧化碳的谱线轮廓，反推出行星大气性质，从而绘制出一幅更详细的行星气象图。我们发现，该行星赤道区域的温度约为800摄氏度，而南北极地区的温度更低，约为200摄氏度。此外，我们发现即使在赤道地区，温度也存在差异，黄昏区域的温度比清晨区域高200摄氏度。这一观测结果与理论上行星大气环流模型的预测相符。这表明系外行星与地球及太阳系的其他行星一样，拥有复杂的气候模式。

近年来，系外行星研究发展迅速，特别是在精细刻画行星特性方面的研究越来越多。早期的系外行星研究主要集中于测量行星的质量、半径及轨道等宏观的信息。如今，先进的大型望远镜设备加上不断改进的数据分析方法，我们已能够绘制这些遥远世界的气象图，并获取其多样的大气成分。随着未来更先进观测设备的投入使用，例如欧南台的极大望远镜（ELT）以及我国规划中的“天邻计划”等，我们将能为超级地球甚至更小的岩质行星绘制气象图。   

有了气象图，我们可以更准确的判断这些行星是否宜居，从而更好的为未来的系外生命信号任务提供关键信息。

          

参考文献：

1．CRIRES+ transmission spectroscopy of WASP-127 b -Detection of the resolved signatures of a supersonic equatorial jet and cool poles in a hot planet, 2025, A&A, 693, A213

2. 封面图来源ESO。

作者简介

严飞，中国科学技术大学天文学系特任教授，主要从事系外行星大气和宜居行星研究。