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Sandbox Physics
系外行星的白天与夜晚

AC21 · L1

一个光点怎样露出行星的白天与夜晚

行星远得只剩一个光点,白天和夜晚仍会留下不同的光。它绕恒星运行时,朝向我们的经度不断改变,红外亮度也随之起伏。顺着这份变化,可以追问白天吸收的热去了哪里。

夜晚转向我们的时候

想象一颗发热的球绕着一盏更亮的灯转动。相机把两者的光加在一起:热的一面朝来,总亮度稍高;冷的一面朝来,总亮度稍低。这样随绕行位置重复变化的亮度,叫作相位曲线。“相位”在这里说的是行星走到了轨道的哪一段。

WASP-43b 绕一圈只需约十九个半小时。它的自转预计与公转同步,同一半球长期朝向恒星,另一半球长期背光。可是地球并不在恒星表面。行星走过一圈时,我们仍会依次看到它的白天与夜晚。

2022 年 12 月,JWST 的中红外仪器连续看了这个系统约二十六个半小时。期间行星从恒星前方经过一次,又藏到恒星后方两次。藏到后面称为二次食。少掉的那一点红外光,正好告诉我们:行星刚才给系统添了多少光。

对应阅读:Taylor J. Bell et al., Nightside clouds and disequilibrium chemistry on the hot Jupiter WASP-43b · Taylor James Bell and the 17 other named Zenodo creators, Products and Models for Nightside clouds and disequilibrium chemistry on the hot Jupiter WASP-43b

气体过了傍晚还没有冷下来

一团气体停在黑暗里,会不断向外辐射。如果没有热送来,它就会逐渐变冷。大气提供了一条从白天通向夜晚的路:气体先吸收恒星光,再流过傍晚的晨昏线。到了背光处,它还来不及散尽热量,仍然发出红外光。

这段旅程能走多远,取决于两种快慢。风更快,同一段冷却时间内就能走得更远;气层每升高一度能储存更多热,温度降下来也更慢。最亮的区域于是可能偏离恒星直射点。简单的向东气流模型中,明亮区域会在二次食之前更早转向我们。

人们常把偏开的明亮区域叫作热斑。不过,总亮度来自可见半球的许多地方。它达到最高的时刻,未必正好对应最热那团气体面朝我们。先看懂这次加权相加,才容易读懂相位曲线里的偏移。

对应阅读:Nicolas B. Cowan and Eric Agol, A Model for Thermal Phase Variations of Circular and Eccentric Exoplanets · Nicolas B. Cowan and Eric Agol, Inverting Phase Functions to Map Exoplanets

红外光量到的是哪一种温度

WASP-43b 的光谱给出白天平均亮度温度 1524±35 K1524\pm35\,\mathrm K,夜晚为 863±23 K863\pm23\,\mathrm K。亮度温度的意思是:如果用黑体来发出这一段波长中同样强的光,它应当有多热。这是一种描述光的温度,必须连着波段一起说。

真实大气的不同波长可以从不同深度逃出来。云层挡住更深处的热气以后,我们看到的辐射会改变。研究者把 WASP-43b 的曲线与光谱,同包含夜侧云的模型等一组大气计算比较。要理解白天和夜晚的差别,既要看总光怎样起伏,也要看哪些波长比较明亮。

夜晚仍在发光,说明那里有能量可供散出。要从一条红外曲线继续读出风速,还得知道气体冷得多快。较快的风与冷得较慢的气层,可以留下相似的亮度分布。接下来可以亲手算一遍:热怎样进入、怎样移动,最后怎样变成我们收到的光。

对应阅读:Taylor J. Bell et al., Nightside clouds and disequilibrium chemistry on the hot Jupiter WASP-43b · Nicolas B. Cowan and Eric Agol, The Statistics of Albedo and Heat Recirculation on Hot Exoplanets

从一束星光一直算到望远镜

先找出截获恒星光的面积,扣掉反射的部分,再跟随流动气体计算加热与冷却。得到每块表面的温度以后,把可见半球的辐射加起来;越正对我们的一块,投影面积越大,贡献也越多。

二次食改变的是最后一步:恒星挡住了通向我们的光,行星受到的照明仍在继续。把轨道、气体流动与这次遮挡分别放好,温度图和亮度曲线就能接在一起。后面三章依次从面积、气团和投影积分开始。

对应阅读:Nicolas B. Cowan and Eric Agol, A Model for Thermal Phase Variations of Circular and Eccentric Exoplanets · Rodrigo Luger et al., STARRY: Analytic Occultation Light Curves

练习与解释性答案

  1. 同一面永远朝向恒星,为什么夜晚还有热气?

    展开解释

    同步自转固定的是星体朝向,大气仍能相对星体流动。气体在冷却之前,把内部的热带过了晨昏线。

动手检验预测

跟着观察方向转一圈

  1. 从“热量向东走”开始,跟随绿色观察方向绕行。
  2. 在二次食附近切换观察者视角,比较球面与橙色曲线。
  3. 回到气流视角,解释为什么看不到光时,气层仍在受热。

来源与计算范围

  1. Nicolas B. Cowan and Eric Agol, A Model for Thermal Phase Variations of Circular and Eccentric Exoplanets

    2010 年 11 月 1 日第一版。第 2–4 节、第 1–10 与 13 式,图 1 与图 6;第 6 节讨论近似。使用给定平流与辐射冷却,不求解风的动量。

  2. Nicolas B. Cowan and Eric Agol, Inverting Phase Functions to Map Exoplanets

    2008 年 3 月 25 日第一版。第 2 节第 1–4 式,第 3.2 节第 7 式与图 1。侧视、各向同性、无食时的经度卷积与 Fourier 零空间。

  3. Nicolas B. Cowan and Eric Agol, The Statistics of Albedo and Heat Recirculation on Hot Exoplanets

    2010 年 12 月 20 日第二版。第 1 节、第 2.1–2.2 节与第 3 式。有限波段亮度温度、全波段能量与反照率的关系。

  4. Taylor J. Bell et al., Nightside clouds and disequilibrium chemistry on the hot Jupiter WASP-43b

    2024 年 1 月 23 日预印本第一版;另核读 2024 年 4 月 30 日正式发表版。主图 1–4;观测、裁切、阴影区与 Eureka v1 拟合方法及数据来源。公开产品固定为 Zenodo v1。

  5. Rodrigo Luger et al., STARRY: Analytic Occultation Light Curves

    2018 年 10 月 15 日第一版。第 2.4 节第 16 式,第 3.1 节第 17–20 式,第 3.2–3.3 节与第 4.2 节图 5。旋转、投影及不同遮挡轨迹的地图敏感性。

  6. Taylor James Bell and the 17 other named Zenodo creators, Products and Models for Nightside clouds and disequilibrium chemistry on the hot Jupiter WASP-43b

    第 10525170 号记录第一版,2024 年 4 月 30 日发布。核读原 API 许可与十八位创建者、实际 HDF5 数组属性和处理配置,保留选定原文件字节及逐文件 SHA-256。

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