超热木星WASP-121 b逃逸氦的复杂轨道结构：JWST揭示跨越半个轨道的大气外流

《Nature Communications》：A complex structure of escaping helium spanning more than half the orbit of the ultra-hot Jupiter WASP-121 b

本研究利用詹姆斯·韦伯空间望远镜(JWST)对超热木星WASP-121 b进行了首次全轨道氦相曲线观测，解决了以往观测时间不连续导致无法精确测量大气外流范围的难题。研究团队通过NIRISS/SOSS仪器探测到持续17小时、覆盖轨道54%的氦吸收信号，揭示了由恒星潮汐力主导的领先尾和拖尾结构，为理解系外行星大气逃逸机制提供了全新视角。

　　

在浩瀚宇宙中，距离地球约880光年的超热木星WASP-121 b正以惊人的速度失去其大气层。这颗行星因其极端温度而闻名——昼面温度超过3000K，足以熔化铁等金属。更引人注目的是，它正处于被宿主恒星潮汐力撕裂的边缘，其大气逃逸过程如同宇宙中的一场盛大烟火表演。然而，科学家们长期以来面临一个关键难题：如何精确测量这种大气逃逸的范围和动态特性？

以往的地面望远镜观测虽然探测到了WASP-121 b大气中的氦元素逃逸迹象，但由于观测时间窗口有限，只能捕捉到行星凌星时的短暂信号，无法描绘出完整的外流结构。这就像只看到了冰山一角，而无法了解其水下部分的真实规模。这种认知局限严重制约了我们对系外行星大气演化过程的理解，特别是质量损失率的准确估算。

为解决这一难题，由Romain Allart领衔的国际研究团队利用詹姆斯·韦伯空间望远镜(JWST)的近红外成像仪和无缝光谱仪(NIRISS)，对WASP-121 b进行了持续36.9小时的连续观测，覆盖了其完整的1.275天轨道周期。这项开创性研究实现了对系外行星逃逸大气的首次全轨道监测，相关成果发表在《Nature Communications》期刊上。

研究团队主要采用了三种关键技术方法：首先利用NAMELESS和exoTEDRF数据降维管道处理JWST/NIRISS的SOSS模式观测数据，特别优化了1/f噪声校正；其次通过比较氦三重态(10833 ?)中心像素与周边62个参考像素的流量变化，提取超额吸收信号；最后构建流体动力学玩具模型，模拟领先尾和拖尾结构的三维分布。

氦吸收信号的轨道分布特征

观测数据显示，氦吸收信号不仅出现在行星凌星期间，更延伸至轨道的前后区域，总持续时间达17小时，相当于轨道周期的54%。研究人员将这一复杂结构划分为三个明显区段：领先段(-5.8至-2.7小时)、凌星段(-1.1至+1.1小时)和拖尾段(+2至+10.8小时)。其中凌星段的平均吸收幅度最高，达到2778±82 ppm(34σ)，而领先段和拖尾段分别呈现934±70 ppm和701±42 ppm的稳定吸收。

逃逸大气的动力学特征

通过分析三个光谱像素(蓝像素10826.98?、中心像素10836.34?、红像素10845.70?)的吸收比率，研究团队揭示了外流气体的运动特性。领先段的蓝红像素吸收比接近1:1，表明物质以约90 km/s的速度向恒星方向红移；而拖尾段则显示出明显的蓝移特征，说明物质被恒星风推离行星。这种速度分布差异揭示了潮汐力和辐射压力对逃逸大气的不同作用方式。

三维外流结构重建

研究团队构建了一个玩具模型来模拟观测到的氦信号空间分布。模型显示，WASP-121 b的逃逸大气形成了沿轨道方向延伸的管状结构，其横向尺度约等于罗希瓣半径(1.3 R_p)。领先尾由于受到强烈恒星潮汐力作用，呈现向恒星坠落的运动特征；而拖尾则受恒星风驱动逐渐远离行星。这种不对称结构首次直接证实了理论预言的流体动力学逃逸模式。

与其他行星外流特征的比较

WASP-121 b的逃逸结构在持续时间(17小时)、空间延伸(107 R_p)和轨道覆盖率(54%)方面均超过已知的具有大气逃逸的行星，如HAT-P-67b(36小时/32%)、HAT-P-32b(12小时/23%)等。特别值得注意的是，WASP-121 b的领先尾呈现红移特征，与HAT-P-32b和HAT-P-67b的蓝移形成鲜明对比，表明其外流主要受恒星潮汐力而非辐射压力主导。

讨论与意义

这项研究突破了系外行星大气逃逸观测的技术边界，首次描绘了逃逸大气在完整轨道上的分布图景。WASP-121 b的持续氦吸收信号表明其大气逃逸处于强烈的流体动力学状态，逃逸物质在远离行星后仍保持碰撞主导的特性。这一发现对理解超热木星的演化轨迹具有重要意义——强烈的大气逃逸可能导致行星质量显著减少，最终影响其内部结构和热演化过程。

研究结果还揭示了当前理论模型的局限性：现有的3D粒子模型(如EvE)无法自洽模拟这种大尺度流体动力学外流，而流体力学代码又难以重现观测到的吸收幅度。这种差距突显了需要考虑恒星风压力、日夜间不对称性、粘滞效应等复杂物理过程的必要性。

更为重要的是，这项工作提出了对现有氦观测数据重新评估的迫切需求。研究表明，传统的短基线观测策略可能严重低估了大气逃逸的范围和强度。以WASP-121 b为例，若仅使用凌星前后1-2小时的观测数据，其氦吸收信号的幅度将被低估约2%，这与之前CRIRES+的观测结果一致。

JWST的高灵敏度和稳定性为系外行星大气研究开启了新纪元。未来通过对更多行星开展全轨道氦相曲线观测，将有望建立大气逃逸与行星参数(如轨道周期、恒星类型、行星质量等)的定量关系，最终揭示恒星辐射环境如何塑造行星大气的演化命运。这项工作不仅深化了我们对WASP-121 b这类极端行星的认识，更为研究系外行星的可居住性提供了重要参考框架。