基于JWST光谱食映射解析超热木星WASP-18b大气三维热结构与化学组分

《Nature Astronomy》：Horizontal and vertical exoplanet thermal structure from a JWST spectroscopic eclipse map

为解决超热木星大气温度与化学组分的多维变化难题，研究人员利用JWST/NIRISS观测数据，首次通过光谱食映射技术解析了WASP-18b dayside大气的水平与垂直结构。研究发现其温度梯度弱于理论预测，揭示了氢分子解离和 nightside 云层对全球热辐射的关键影响，为系外行星大气动力学提供了全新维度约束。

　　

在系外行星研究领域，超热木星（Ultrahot Jupiters）作为一类极端条件下的气态巨行星，其大气物理过程一直备受关注。理论模型预测这类行星应存在显著的经度、纬度和海拔三维温度与化学组分梯度，但由于观测技术的限制，以往的研究只能获取半球积分的光谱数据，无法精细解析大气内部结构。詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）的投入使用，为突破这一瓶颈提供了前所未有的机遇。

为揭示超热木星大气的多维特征，由Ryan C. Challener和Megan Weiner Mansfield共同领导的研究团队，利用JWST近红外成像仪和无缝光谱仪（NIRISS）对超热木星WASP-18b进行了一次次食（secondary eclipse）观测，覆盖0.85–2.85 μm波段。通过开发并应用名为“Eigenspectra”的光谱食映射方法，研究人员首次实现了对系外行星大气在多个波长下的二维亮度温度图重建，进而识别出具有不同光谱特征的空间区域，并分别反演其垂直热结构和化学组成。

研究发现，WASP-18b的日侧温度分布呈现以星下点（substellar point）为中心的“热点”（hotspot）和靠近日侧边缘的“环状”（ring）区域。热点区域温度高达3,100–3,300 K，存在强烈的热反转（thermal inversion）现象，且水（H₂O）丰度略低于半球平均值，这与高温导致的水分子热解离理论预期一致。环状区域温度较低（约2,500–2,700 K），且化学组分受限较大。值得注意的是，观测到的经向温度梯度弱于现有大气环流模型（GCMs）的预测，表明氢分子解离（H₂ dissociation）和/或夜侧云层对全球热传输具有重要影响。

研究团队主要采用以下关键技术方法：首先利用Eigenspectra方法对25个波长区间的光变曲线进行独立二维映射拟合，再通过k-means聚类识别光谱相似的空间区域；同时使用ThERESA方法进行交叉验证；最后利用HyDRA和Pyrat Bay等大气反演框架，对提取的区域光谱进行一维热结构与化学丰度分析。

波长依赖性图谱

通过25个波长区间的二维亮度温度图分析，发现所有波长下热点偏移均较小（-5°至7°），与包含大气拖曳（drag）的GCM预测一致，表明超热木星因磁流体动力学拖曳抑制了赤道急流。

水平与垂直结构映射

Eigenspectra识别出热点、环状和外缘三个光谱特征区。热点区域光谱显示强热反转和光学吸收体（H^–、TiO、VO）存在的证据，水丰度为log?n_H2O?≈?-3.7；环状区域温度较低，但反演结果受几何视角和模型假设影响较大。

讨论与意义

本研究通过JWST高精度数据与创新映射技术，首次实现了对系外行星大气的三维热结构与化学组分解析。热点区域的精细反演验证了高温下水分子解离的理论预测，而较弱的经向温度梯度则提示当前GCMs需进一步纳入氢解离和非均匀拖曳等物理过程。该工作为系外行星大气动力学、化学过渡及能量传输研究建立了新范式，未来JWST对更多样化行星的类似观测将推动该领域的群体性研究。