模拟显示，被宿主恒星加热到更深处的系外行星显示出明显不同的天气模式

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来自非常高分辨率模拟的不同时间且集中在行星昼侧的涡度场。这些画面显示了在地球上移动的大型风暴。来源:斯金纳、纳蒂勒和乔。

（）据美国物理学家组织网（英格里德·法德利）：多年来，大多数天体物理模型都假设太阳系以外的行星（称为系外行星）在其宿主恒星（即类似太阳的恒星，行星系统在其周围形成）的相似深度被加热。然而，通过使用不同望远镜的几次合作对最近观测结果的分析表明，一些系外行星在大气层中吸收热量的深度可能比最初想象的要深得多。这种系外行星可能显示出与过去模型预测截然不同的天气模式。

加州理工学院、熨斗研究所和布兰代斯大学的研究人员最近进行了一系列模拟，证实了这一假设。他们发表在《物理评论快报》上的论文表明，由更深处的宿主恒星加热的热系外行星大气导致了不同的持续天气模式。

“最近对WASP-96b行星的JWST数据进行的分析促使我们研究这个问题，该分析显示，来自其宿主恒星的热量可能在大气层深处被吸收，比我们之前想象的要多，”该论文的作者杰克·w·斯金纳、乔纳斯·纳蒂勒和詹姆斯·赵告诉Phys.org。“这让我们查看了过去对类似行星的分析，发现还有其他行星也以这种方式受热。”

斯金纳、纳蒂勒和乔最近工作的主要目标是更好地了解行星被加热的大气深度如何影响它们的长期天气模式。这将允许更准确地确定使用当前和未来的太空望远镜观察行星时的外观。它还将促进我们对气候的了解，并最终促进系外行星的宜居性。

斯金纳、纳蒂勒和乔解释说:“目前还不清楚系外行星上加热的确切位置和分布，但过去的研究通常假设一个位置和分布。”“实际上，需要更完整的行星大气图像才能准确解释观测结果。”

作为研究的一部分，研究人员进行了数百次最先进的超级计算机模拟。他们的模拟解决了一组复杂的非线性方程，这些方程描述了可压缩流体如何在旋转球体上演化。同样的方程也被用来预测地球和太阳系其他行星的天气和气候。



来自非常高分辨率模拟的不同时间且集中在行星昼侧的涡度场。这些画面显示了在地球上移动的大型风暴。来源:斯金纳、纳蒂勒和乔。

斯金纳说:“我们用相同的参数设置了这些模拟，就像两个不同的热木星具有不同的加热类型一样。”

“加热是基于詹姆斯·韦伯和哈勃太空望远镜（后者已不再运行）对热木星系外行星WASP-96b的检索。与过去模拟工作的关键区别是，我们的工作使用了一种非常高效的算法，使我们的模拟能够在强大的超级计算机上以极高的分辨率（实际上比通常为这些行星所做的分辨率高50倍左右）进行。”

Skinner、N? ttil?和Cho采用的算法显著增强了他们的模拟，使他们能够捕捉小尺度的流动结构，如涡流、锋面和波浪。总的来说，这些流动结构提供了关于系外行星上可能观察到的天气模式的重要信息，其细节和准确性达到了前所未有的水平。

“由于加热及其产生的小规模结构驱动了流动，加热的类型决定了这些行星上的流动行为，”纳蒂勒说。“我们的模拟显示，热木星的大气层是高度动态和动荡的，强大的风暴从大到小的规模和强度不等。这些风暴的类型和行为取决于热量和冷却如何在行星上重新分配。”

该研究小组最近的工作为太阳系外行星的天气状况以及这些状况如何受到宿主恒星热量吸收深度的影响提供了有趣的见解。

作为这项研究的一部分进行的模拟是迄今为止进行的最详细和最准确的模拟之一，可以为描述热系外行星大气的新模型的开发提供信息。

“模拟和理解系外行星上的气流至关重要，因为这些气流在行星周围移动热（和冷）空气块（包括化学物质和云），”Cho解释说。“这产生了围绕地球运动的亮点和暗点，并有可能被当前和未来的太空望远镜任务（如JWST和爱丽儿）观测到。”

斯金纳、纳蒂勒和乔对他们迄今为止获得的结果充满热情，因为他们最终证明了系外行星的大气是高度动态和可变的，与地球没有什么不同。此外，他们的工作表明，虽然系外行星可能具有非常相似的物理参数，并位于具有相似宿主恒星的行星系统中，但它们之间的细微差异可能会对它们的气候、天气和其他可观测特征产生深刻影响。

斯金纳、纳蒂勒和乔补充说:“我们的工作揭示了许多关于系外行星的更令人兴奋的问题，并证明现在迫切需要精确的模型来准确解释当前的观测结果并优化未来的观测计划。”

“随着美国国家航空航天局的JWST和欧空局即将到来的ARIEL任务，我们的工作表明我们现在能够开始现实地限制和测试基础物理理论和复杂的计算机模型，并进一步坚定地确定哪些系外行星可能存在生命。”