天文学家们对天王星的大气特性和亮度有了新的认识

利用哈勃和新视野号的双重视角，科学家们对天王星的大气特性和亮度有了新的认识，为未来的系外行星研究提供了信息。天王星被描述为神秘、奇特，对我们地球人来说相当陌生。 然而，在天文学中，这些说法都是相对的。 与早期宇宙中遥远而黑暗的绵延部分相比，或者与距离太阳系数十光年的奇特系外行星相比，研究人员实际上对天王星已经了解很多。

哈勃和"新视野"号同时对天王星进行的观测为未来的系外行星探测提供了关键数据，显示了地球上看不到的亮度和大气变化，这对于了解遥远的宜居行星至关重要。 资料来源：NASA、ESA、STScI、Samantha Hasler（麻省理工学院）、Amy Simon（NASA-GSFC）、新视野号行星科学主题小组、Joseph DePasquale（STScI）、Joseph Olmsted（STScI）

NASA 的哈勃太空望远镜是能够以高分辨率观测这颗行星的天文台之一，可以近距离显示这颗行星大气特征的细节。

天文学家现在以一种新的方式利用了这种观点。 他们用哈勃望远镜观察了天王星的高分辨率，同时还用新视野号航天器从65亿英里外观察了天王星，在那里，天王星看上去只是一个斑点。 这种综合视角可以帮助他们进一步了解在对其他恒星周围的行星进行成像时应该期待什么--哈勃提供的背景信息说明了用新视野号观测时大气层的实际情况。

在这张图片中，天王星的两个三维图形（上图）与美国宇航局哈勃太空望远镜（左下图）和美国宇航局新地平线号宇宙飞船（右下图）拍摄的天王星实景图进行了对比。 这两个任务最近同时观测了这颗气体巨行星，比较了哈勃望远镜的高分辨率图像和新地平线号的较小视角。 这种综合视角将有助于研究人员了解未来天文台在对其他恒星周围的行星进行成像时应该期待什么。 资料来源：NASA、ESA、STScI、Samantha Hasler（麻省理工学院）、Amy Simon（NASA-GSFC）、新视野号行星科学主题小组、Joseph DePasquale（STScI）、Joseph Olmsted（STScI

美国国家航空航天局（NASA）的哈勃太空望远镜和新视野号（New Horizons）航天器最近同时聚焦天王星，使科学家们能够直接比较从两个不同有利位置对该行星的观测结果。 这些见解将指导未来对其他恒星系统中类似行星的研究。

通过将天王星作为遥远系外行星的替身，天文学家利用了哈勃望远镜的高分辨率图像和新视野号的更广阔视野。 这种双重视角增强了我们对使用下一代望远镜对系外行星成像时的预期的理解。

新视野号科学团队合作者、剑桥麻省理工学院的萨曼莎-哈斯勒（Samantha Hasler）说："虽然我们预计天王星在每个滤光片的观测结果中都会出现不同，但我们发现天王星实际上比从不同视角拍摄的新视野号数据中预测的要暗淡。"

系外行星的直接成像是了解其潜在宜居性的关键技术，并为我们太阳系的起源和形成提供了新的线索。 天文学家利用直接成像和光谱学来收集被观测行星的光线，并比较其在不同波长下的亮度。 然而，由于系外行星距离我们非常遥远，因此对它们进行成像是一个众所周知的困难过程。 它们的图像只是针尖大小，因此不如我们对绕太阳运行的世界的近距离观察那么细致。 研究人员也只能直接拍摄系外行星的"部分相位"，即从地球上看，只有部分行星被恒星照亮。

这幅插图展示了美国宇航局的"新视野"号宇宙飞船从柯伊伯带深处俯瞰太阳系的景象。 新视野号目前距离地球估计超过 50 亿英里。 探测器最近观测天王星时，距离天王星65亿英里。 资料来源：NASA、ESA、Christian Nieves（STScI）、Ralf Crawford（STScI）、Greg Bacon（STScI）

天王星是了解未来其他望远镜对系外行星进行遥远观测的理想测试目标，原因有几个。 首先，许多已知的系外行星也是性质类似的气态巨行星。 另外，在进行观测时，新视野号位于天王星的远侧，距离天王星 65 亿英里，可以对天王星的黄昏新月进行研究--这是在地球上无法做到的。 在这个距离上，"新视野"号的彩色相机（多光谱可见光成像相机）只能看到天王星的几个像素。

另一方面，哈勃具有高分辨率，在距离天王星17亿英里的低地球轨道上，能够看到这个气态世界日侧的云层和风暴等大气特征。

哈斯勒补充说："天王星在新视野号的观测结果中只是一个小点，与韦伯等天文台或地面天文台直接观测到的系外行星的小点相似。 哈勃为"新视野"号观测大气层提供了背景信息。"

地球上空的哈勃太空望远镜插图。 图片来源：欧空局/哈勃（M. Kornmesser & L. L. Christensen）

太阳系中的气态巨行星拥有动态多变的大气层，云层覆盖率不断变化。 这种情况在系外行星中常见吗？ 通过从哈勃望远镜中了解天王星云层的细节，研究人员能够验证新视野号数据的解释。 就天王星而言，哈勃和新视野号都看到，亮度并没有随着行星的自转而变化，这表明云层的特征并没有随着行星的自转而变化。

然而，"新视野"号的探测结果之所以重要，是因为这颗行星反射光线的阶段与哈勃或地球上或地球附近的其他天文台所能看到的不同。 新视野号表明，系外行星在部分相位角和高相位角时可能比预想的要暗，大气层在部分相位角时对光线的反射也不同。

艺术家构想的新视野号航天器。 图片来源：约翰-霍普金斯大学应用物理实验室/西南研究所编辑

美国国家航空航天局（NASA）即将建立两个大型观测站，以推进系外行星大气层和潜在宜居性的研究。"新视野号"首席研究员、美国西南研究所的艾伦-斯特恩补充说："'新视野号'从任何其他手段都无法观测到的有利位置对天王星进行的这些具有里程碑意义的研究，为这次任务的新科学知识宝库增添了新的内容。

美国国家航空航天局即将于2027年发射的南希-格蕾丝罗曼太空望远镜将使用一个冕仪来遮挡恒星的光线，以直接观测气态巨型系外行星。 美国国家航空航天局（NASA）的宜居世界天文台处于早期规划阶段，它将是第一台专门用于搜寻绕其他恒星运行的地球大小岩石行星大气层生物特征的望远镜。

罗曼太空望远镜是美国国家航空航天局（NASA）的一个天文台，旨在揭开暗能量和暗物质的秘密、搜索系外行星并为其成像，以及探索红外天体物理学的许多课题。 资料来源：美国国家航空航天局

哈斯勒总结说："研究天王星等已知基准如何在遥远的成像中出现，可以帮助我们在准备这些未来任务时有更可靠的预期。这对我们的成功至关重要。"

新视野号于2006年1月发射升空，2015年7月历史性地飞越了冥王星及其卫星，之后又于2019年1月让人类首次近距离观察了其中一个行星构件和柯伊伯带天体--阿罗科斯。 新视野号目前正在执行第二次扩展任务，研究遥远的柯伊伯带天体，描述太阳外日光层的特征，并从其在太阳系遥远区域无与伦比的有利位置进行重要的天体物理观测。

天王星的观测结果将于本周在爱达荷州博伊西举行的美国天文学会行星科学部第56届年会上公布。

哈勃太空望远镜是由美国国家航空航天局（NASA）和欧洲航天局（ESA）合作研制的，三十多年来一直在彻底改变我们对宇宙的认识。 哈勃望远镜于1990年发射升空，它围绕地球运行，捕捉高分辨率图像和数据，这些图像和数据促成了从宇宙膨胀到暗能量存在等一系列突破性发现。

在洛克希德-马丁航天公司的支持下，由位于马里兰州的美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心负责管理，哈勃的任务运行是国际合作的见证。 位于马里兰州巴尔的摩的太空望远镜科学研究所由天文学研究大学协会运营，负责科学运营，确保哈勃继续在推动天文学发展方面发挥关键作用。 尽管年事已高，哈勃仍然是探索深空最重要和最可靠的工具之一，它的发现影响着我们对宇宙的基本认识。

"新视野"号是由位于马里兰州劳雷尔的约翰霍普金斯应用物理实验室（APL）根据美国国家航空航天局（NASA）的"新领域"（New Frontiers）计划开发和运行的一个开拓性航天器。 新视野号于2006年发射升空，最著名的是2015年历史性地飞越冥王星，为人类提供了第一次近距离观察这颗矮行星的机会。 此后，"新视野"号继续外太阳系之旅，探索柯伊伯带天体，并提供有关这些遥远世界的重要数据。

此次任务由美国西南研究院指导，首席研究员艾伦-斯特恩（Alan Stern）领导科学团队，监督有效载荷运行和遭遇科学规划。 "新视野号"由美国宇航局位于阿拉巴马州亨茨维尔的马歇尔太空飞行中心管理，极大地扩展了我们对外太阳系的了解，为天体物理研究和行星探索打开了新的大门。

编译自/SciTechDaily