外行星是指太陽系以外的行星，它們的存在和特征一直是天文學家們探索宇宙的重要課題。近年來，隨著觀測技術的進步，人們對外行星的了解也越來越深入，尤其是對它們的大氣層的研究。外行星的大氣層可以反映出它們的溫度、壓力、化學成分、雲層、風速等資訊，這些資訊對於理解外行星的形成、演化和生命可能性都至關重要。
然而，觀測外行星的大氣層並不容易，因為它們距離地球很遠，而且它們大多圍繞著比行星更大更亮的恒星執行。這意味著，能夠用像哈伯這樣先進的望遠鏡觀測到外行星的天文學家通常必須結合他們所有的數據，才能得到足夠的資訊來對外行星的性質做出有信心的推斷。
不過，有一顆外行星卻成為了哈伯的常客，它就是WASP-121 b，一個被研究得很好的熱木星。一個國際天文學家團隊收集並重新處理了2016年、2018年和2019年用美國國家航空暨太空總署/歐洲航天局哈伯太空望遠鏡對WASP-121 b的觀測數據。這為他們提供了一個獨特的數據集，不僅可以分析WASP-121 b的大氣，還可以比較幾年來外行星大氣的狀態。他們發現WASP-121 b的觀測結果隨時間變化的明顯證據。然後，該團隊使用復雜的建模技術來證明，這些時間變化可以用外行星大氣中的天氣模式來解釋。
WASP-121 b（也被稱為Tylos）是一個距離地球約880光年的外行星，它圍繞著一個比太陽更大更亮的恒星執行，完成一次完整的軌域只需要30小時。WASP-121 b屬於熱木星的一種，熱木星是一種沒有直接太陽系類比的外行星：它們是膨脹的氣態巨行星，非常靠近它們的母星執行，通常在幾天內完成一次完整的軌域。熱木星的表面溫度非常高，有時甚至可以達到幾千克耳文，這使得它們的大氣層中可能存在一些罕見的化學物質，比如鐵、鈦或水蒸氣。
WASP-121 b是一個超熱的熱木星，它的表面溫度超過了3000克耳文，這是因為它與宿主星非常接近，只有0.025天文單位（約合375萬公裏）的距離，比水星與太陽的距離還要小得多。這樣的距離意味著WASP-121 b受到了強烈的潮汐力，使得它呈現出橢圓形的形狀，而不是球形。同時，WASP-121 b也是潮汐釘選的，也就是說這顆熱木星總是向它所圍繞的恒星呈現同一個半球的情況，就像月球是被地球潮汐釘選的，導致我們從沒有看到過月球的背面一樣。潮汐釘選的行星將在整個表面上有極不均勻的溫度分布，朝向恒星的半球比另一半球熱得多。
WASP-121 b的大氣層是一個充滿了驚奇和謎團的地方。在2016年，哈伯首次發現了WASP-121 b的大氣層中含有水蒸氣的證據，這是一個重要的發現，因為水是生命的基本條件之一。在2017年，哈伯又發現了WASP-121 b的大氣層中含有金屬氫化物的證據，比如鈦氧化物和鐵氧化物，這些物質在地球上是固態的，但在WASP-121 b上卻是氣態的，這表明了WASP-121 b的大氣層非常熱。在2018年，哈伯又發現了WASP-121 b的大氣層正在逃逸的證據，這是因為WASP-121 b受到了宿主星的強烈放射線和重力，導致它的大氣層像彗星的尾巴一樣被吹走，這也意味著WASP-121 b可能正在緩慢地消失。
由於WASP-121 b的大氣層非常有趣，哈伯對它進行了多次的觀測，以期獲得更多的資訊。一個國際天文學家團隊收集並重新處理了2016年、2018年和2019年用哈伯的廣域相機3（WFC 3）對WASP-121 b進行的四組檔案觀測數據。完整的組裝數據集包括：
WASP-121 b在其恒星前方的淩日觀測（2016年6月進行）：這是當WASP-121 b從地球的視角來看，從宿主星的前面經過的時候，也就是說，它的暗面朝向我們。這種觀測可以幫助我們測量WASP-121 b的半徑和大氣層的厚度。
WASP-121 b在其恒星後方的淩日觀測，也稱為次級日食（2016年11月進行）：這是當WASP-121 b從地球的視角來看，從宿主星的後面經過的時候，也就是說，它的明面朝向我們。這種觀測可以幫助我們測量WASP-121 b的溫度和大氣層的化學成分。
WASP-121 b的兩個相位曲線（分別在2018年3月和2019年2月進行）：這是當WASP-121 b在其軌域上執行的時候，我們觀測到它的亮度隨著它的相位（即它的朝向）而變化的曲線。這種觀測可以幫助我們了解WASP-121 b的大氣層的溫度分布和雲層的形狀。
該團隊采取了一個獨特的步驟，以相同的方式處理每個數據集，即使它之前可能已經被另一個團隊處理過。外行星數據處理是耗時且復雜的，但這是值得的，因為它允許該團隊直接比較每組觀測的處理數據。該團隊的主要研究者之一，太空望遠鏡科學研究所的歐洲航天局研究員Quentin Changeat說：
「我們的數據集代表了對單個行星的大量觀測時間，目前是唯一一組這樣的重復觀測。我們從這些觀測中提取的資訊被用來表征（推斷化學成分、溫度和雲層）WASP-121 b的大氣在不同時間的情況。這為我們提供了這顆行星隨時間變化的精美畫面。」在清理每個數據集後，該團隊發現WASP-121 b的觀測結果隨時間變化的明顯證據。雖然儀器效應可能仍然存在，但數據顯示了外行星熱點的明顯偏移，以及光譜特征（表示外行星大氣的化學成分）的差異，表明大氣的變化。
接下來，該團隊使用了高度復雜的計算模型，試圖理解外行星大氣的觀測行為。模型表明，他們的結果可以用準周期性的天氣模式來解釋，特別是由於朝向恒星和暗面的外行星之間的巨大溫差而反復產生和消失的大型氣旋。這一結果代表了在觀測外行星天氣模式方面的重大進步。
「我們的外行星大氣模擬的高分辨率使我們能夠準確地模擬像WASP-121 b這樣的超熱行星的天氣，」加州理工學院的博士後研究員和這項研究的共同領導者Jack Skinner解釋說。「在這裏，我們透過將觀測約束與大氣模擬相結合，實作了理解這些行星上的時變天氣的重大進步。」
「地球上的天氣對我們生活的許多方面負有責任，事實上，地球氣候和天氣的長期穩定很可能是生命最初出現的原因，」Changeat補充說。「研究外行星的天氣對於理解外行星大氣的復雜性至關重要，尤其是在我們尋找具有適宜生存條件的外行星的過程中。」
未來用哈伯和其他強大的望遠鏡，包括即將於2024年發射的詹姆士·韋伯太空望遠鏡，對遙遠世界進行的觀測將提供更深入的了解外行星的天氣模式：最終，可能找到具有穩定的長期氣候和天氣模式的外行星。這些外行星可能更適合生命的存在，也可能更容易被我們探測到。
WASP-121 b的研究為我們展示了一個外行星的大氣變化的精彩案例，也為我們揭示了一個外行星的天氣奧秘。這些發現不僅增加了我們對外行星的認識，也激發了我們對外行星的好奇心。或許有一天，我們能夠親眼見到這些遙遠的世界，感受它們的風和溫度，甚至發現它們的生命。
