韋伯望遠鏡揭密：系外行星大氣層的多重雲層、熱點與化學變化

美國太空總署（NASA）、歐洲太空總署（ESA）與加拿大太空總署（CSA）共同研發的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（James Webb Space Telescope）最新觀測結果顯示，在距離地球僅20光年的自由漂浮行星質量天體SIMP J013656.5+093347（簡稱SIMP 0136）的大氣層中，存在著三種特殊現象：雲層、熱點以及碳化學變化。

這顆天體的質量約為木星的13倍，並未繞行任何恆星，因此被認為可能是一顆褐矮星。由於其孤立特性，科學家能夠直接觀測SIMP 0136，而不必擔心來自宿主恆星的光汙染或亮度變化。此外，其僅2.4小時的快速自轉週期，使得觀測效率大幅提升。

波士頓大學博士生艾莉森·麥卡錫（Allison McCarthy）表示：「我們已經知道它的亮度會變化，並確信其大氣層中存在著斑塊狀的雲層，這些雲層會隨著自轉進入或離開視線，並隨時間演變。我們也推測可能存在溫度變化、化學反應，甚至極光活動對亮度的影響，但這些都尚未得到證實。」

韋伯望遠鏡的近紅外光譜儀（NIRSpec）在SIMP 0136完成一次完整自轉的三小時內，捕捉了數千個0.6至5.3微米的光譜資料，每1.8秒記錄一次。隨後，中紅外儀器（MIRI）也進行了觀測，收集了5至14微米波長的光譜資料，每19.2秒記錄一次，涵蓋了另一次自轉週期。這些資料產生了數百條詳細的光變曲線，每一條都顯示了特定波長（顏色）的亮度變化，反映了天體不同側面旋轉進入視線時的狀態。

都柏林三一學院的天文學家約翰娜·沃斯博士（Dr. Johanna Vos）表示：「能夠在幾分鐘內看到這顆天體的全光譜變化，真是令人難以置信。在此之前，我們只能透過哈伯望遠鏡獲得一小部分近紅外光譜，以及史匹哲望遠鏡的少量亮度測量資料。」

研究團隊立即注意到，光變曲線呈現出多種不同的形狀。在某些時刻，某些波長的亮度增加，而其他波長則變暗或幾乎沒有變化。這表明有多種因素影響著亮度的變化。

波士頓大學的菲利普·繆爾黑德博士（Dr. Philip Muirhead）比喻道：「想像從遠處觀察地球。如果分別觀察每種顏色，你會看到不同的模式，這些模式能告訴你地球表面和大氣層的某些資訊，即使你無法辨識出個別特徵。例如，藍色會隨著海洋進入視線而增加，而棕色和綠色的變化則能反映出土壤和植被的狀況。」

為瞭解SIMP 0136亮度變化的原因，研究團隊利用大氣模型來確定每種波長的光來自大氣層的哪個位置。麥卡錫解釋道：「不同波長提供了大氣層不同深度的資訊。我們開始意識到，光變曲線形狀最相似的波長，通常探測的是相同深度，這進一步支援了它們是由相同機制引起的觀點。」

例如，一組波長來自大氣層深處，那裡可能存在由鐵粒子組成的斑塊狀雲層。另一組波長則來自更高處的雲層，這些雲層被認為是由微小的矽酸鹽礦物顆粒組成。這兩組光變曲線的變化都與雲層的斑塊性有關。第三組波長則來自雲層上方極高處，似乎與溫度變化相關。亮熱點可能與先前在無線電波長中檢測到的極光有關，或是來自大氣層深處的熱氣體上升所致。

此外，部分光變曲線無法用雲層或溫度變化來解釋，而是與大氣中的碳化學變化有關。這可能意味著一氧化碳和二氧化碳的氣團旋轉進入或離開視線，或是化學反應導致大氣層發生變化。沃斯博士表示：「我們尚未完全解開化學變化的謎團，但這些結果非常令人興奮，因為它們顯示甲烷和二氧化碳等分子的豐度可能會隨地點和時間而變化。如果我們觀測一顆系外行星時只能獲得一次測量資料，我們需要考慮這可能無法代表整個行星的狀態。」

這項研究成果已發表於《天體物理學期刊通訊》（Astrophysical Journal Letters）。

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Allison M. McCarthy et al. 2025. The JWST Weather Report from the Isolated Exoplanet Analog SIMP 0136+0933: Pressure-dependent Variability Driven by Multiple Mechanisms. ApJL 981, L22; doi: 10.3847/2041-8213/ad9eaf