罕见的海王星中纬度极光终于在韦伯的强力注视下出现

海王星位于太阳系外缘寒冷、黑暗的区域，距离太阳约 30 亿英里，位于行星阵列的最远边缘。至今仅有一艘人造航天器曾经飞过：美国宇航局1989 年发射的旅行者2号。从那时起，哈勃望远镜就一直在远处进行观测，追踪海王星的动态天气，甚至在 2013 年发现了一颗新卫星。

美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜终于捕捉到了海王星难以捉摸的极光，其细节令人惊叹。利用其强大的红外能力，科学家们探测到了前所未有的极光活动——出现在海王星的中纬度地区，而不是两极。这一奇怪的位置是由于海王星磁场倾斜度很大。图片来源：诺斯罗普·格鲁曼

海王星通常被视为一颗宁静的蓝色球体，偶尔会出现毫无征兆的黑点。但现在，美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜发现了一些全新的事物：一个明亮、发光的极光在海王星大气层中闪闪发光，首次以令人惊叹的红外细节捕捉到。

左侧是 NASA 哈勃太空望远镜拍摄的海王星增强色图像。右侧是该图像与 NASA 詹姆斯·韦伯太空望远镜的数据相结合而成。青色斑点代表极光活动，白色云层是韦伯近红外光谱仪 (NIRSpec) 的数据，叠加在哈勃广角相机 3 拍摄的行星完整图像之上。极光发生在高能粒子（通常来自太阳）被困在行星磁场中并最终撞击上层大气时。这些碰撞过程中释放的能量产生了标志性的辉光。图片来源：NASA、ESA、CSA、STScI、Heidi Hammel（AURA）、Henrik Melin（诺森比亚大学）、Leigh Fletcher（莱斯特大学）、Stefanie Milam（NASA-GSFC）

美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜首次清晰地捕捉到海王星上明亮的极光。极光的形成是因为高能粒子（通常来自太阳）被行星的磁场捕获，并与行星的高层大气相撞，产生耀眼的光芒。

天文学家此前曾在海王星上看到过极光活动的迹象，包括 1989 年美国宇航局的旅行者 2 号飞掠海王星时。但与木星、土星和天王星不同，海王星的极光一直无法确认和成像，这使海王星成为最后一颗没有这种现象直接证据的巨行星。

“事实证明，只有借助韦伯望远镜的近红外灵敏度，才有可能真正对海王星上的极光活动进行成像，”这项研究的主要作者、诺森比亚大学的亨里克·梅林 (Henrik Melin) 说，他在莱斯特大学期间进行了这项研究。“不仅能看到极光，而且其特征的细节和清晰度也让我震惊。”

这些数据是 2023 年 6 月使用韦伯近红外光谱仪获得的。除了行星图像外，天文学家还获得了光谱，以表征行星上层大气（电离层）的成分并测量其温度。他们首次发现了一条极为突出的发射线，表明存在三氢阳离子 (H 3 + )，这种阳离子可以在极光中产生。在韦伯拍摄的海王星图像中，发光的极光以青色斑点的形式出现。

这张由美国宇航局詹姆斯·韦伯太空望远镜的 NIRCam（近红外相机）拍摄的木星图像在红外光下展示了这颗雄伟行星的惊人细节。在这张图片中，亮度表示海拔较高。众多明亮的白色“斑点”和“条纹”很可能是凝聚对流风暴的高海拔云顶。极光在这张图片中以红色出现，延伸到行星北极和南极上方的较高海拔。相比之下，赤道地区北部的暗带几乎没有云层覆盖。在韦伯 2022 年 7 月拍摄的木星图像中，研究人员最近发现一条以每小时 320 英里（每小时 515 公里）的速度行驶的狭窄急流位于木星赤道上空的主要云层上方。图片来源：NASA、ESA、CSA、STScI、Ricardo Hueso（UPV）、Imke de Pater（加州大学伯克利分校）、Thierry Fouchet（巴黎天文台）、Leigh Fletcher（莱斯特大学）、Michael H. Wong（加州大学伯克利分校）、Joseph DePasquale（STScI）

“H 3 +是所有气态巨行星（木星、土星和天王星）极光活动的明显标志，多年来，我们利用现有的最佳地面设施对海王星进行了研究，预计也会在海王星上看到同样的现象，”天文学研究大学协会的海蒂·哈默尔 (Heidi Hammel) 解释道，她是韦伯跨学科科学家，也是获得数据的保证时间观测计划的负责人。“只有借助韦伯这样的机器，我们才能最终得到证实。”

海王星上看到的极光活动也与我们在地球上看到的，甚至木星（见上图）或土星（见下图）上看到的极光活动有明显不同。海王星的极光并不局限于该星球的北极和南极，而是位于该星球的地理中纬度——想想地球上南美洲的位置。

这是由于海王星磁场的奇特性质所致，该磁场最初由旅行者 2 号于 1989 年发现，与行星自转轴倾斜 47 度。由于极光活动发生在磁场汇聚到行星大气层的地方，因此海王星的极光远离其自转极点。

这些土星极光的图像是由 NASA 的哈勃太空望远镜于 2005 年 1 月 24 日、26 日和 28 日拍摄的。这三张土星图像均结合了南极地区的紫外线图像（以显示极光辐射）和行星及其环的可见光波长图像。哈勃图像是在与 NASA 的卡西尼号太空飞船联合测量接近土星的太阳风和土星千米无线电辐射时获得的。1 月 26 日极光的强烈增亮与最近太阳风的大规模扰动相吻合。图片来源：NASA/Hubble/Z. Levay 和 J. Clarke

海王星极光的突破性探测将帮助我们了解海王星磁场如何与从太阳流向太阳系遥远区域的粒子相互作用，这是冰巨星大气科学的一个全新窗口。

通过韦伯观测，研究小组还首次测量了自旅行者 2 号飞越以来海王星大气层顶部的温度。结果暗示了为何海王星的极光如此长时间未被天文学家发现。

“我非常惊讶——海王星的高层大气温度已经降低了几百度，”梅林说。“事实上，2023 年的温度仅为 1989 年的一半多一点。”

多年来，天文学家一直根据旅行者 2 号记录的温度来预测海王星极光的强度。温度大幅降低会导致极光变得更加暗淡。这种低温可能是海王星极光如此长时间未被发现的原因。急剧的冷却也表明，尽管海王星与太阳的距离是地球的 30 倍以上，但大气层的这一区域可能会发生巨大变化。

有了这些新发现，天文学家现在希望利用韦伯望远镜研究海王星的整个太阳周期，即由太阳磁场驱动的 11 年活动期。研究结果可以深入了解海王星奇特磁场的起源，甚至可以解释其倾斜度如此之大的原因。

“当我们展望未来并梦想着未来对天王星和海王星的探测任务时，我们现在知道，拥有能够适应红外波长的仪器对于继续研究极光有多么重要，”论文合著者、莱斯特大学的利·弗莱彻补充道。“这座天文台终于打开了一扇窗户，让我们得以看到这扇窗户， ...

这些观测由弗莱彻领导，是哈默尔保证时间观测计划 1249 的一部分。该团队的研究成果已发表在《自然天文学》杂志上。

编译自/ScitechDaily