天王星正在变化 哈勃20年延时摄影揭示其大气中的惊喜

哈勃太空望远镜已执行任务30多年，已被证明是研究遥远而神秘的冰巨星天王星的有力工具。通过20年来对这颗行星的反复观测，天文学家得以追踪其大气的长期季节性变化。这些观测为了解天王星大气的行为方式提供了新的见解——这些信息也可能有助于科学家更好地理解大小和成分相似的系外行星。

图片柱展示了STIS观测天王星四年间，在20年间的变化。在此期间，研究人员观察了天王星的四季变化：南极地区逐渐变暗，进入冬季阴影期；而北极地区则随着北半球夏季的临近而逐渐明亮。图片来源：NASA、ESA、Erich Karkoschka (LPL)

研究团队以多种方式分析了他们的研究结果。图像柱状图展示了STIS观测天王星20年间四年的变化。在这段时间里，研究人员观察了天王星的四季变化：南极地区（左图）在进入冬季阴影后变暗，而北极地区（右图）则随着北半球夏季的临近而开始更直接地出现在视野中，从而变亮。

最上面一行，在可见光下，显示了通过业余望远镜看到的天王星在人眼中的颜色。

第二行是该行星的假彩色图像，由可见光和近红外光观测结果组合而成。颜色和亮度与甲烷和气溶胶的含量相对应。在2002年哈勃望远镜的STIS首次瞄准天王星之前，这两种量都无法区分。通常，绿色区域表示甲烷含量低于蓝色区域，红色区域表示没有甲烷。红色区域位于边缘，天王星平流层几乎完全没有甲烷。

下面两行显示了从可见光到近红外光的1000种不同波长（颜色）推断出的气溶胶和甲烷的纬度结构。在第三行中，亮区表示云量较多，而暗区表示云量较多。在第四行中，亮区表示甲烷耗尽，而暗区表示甲烷含量充足。

天王星，这颗倾斜而神秘的冰巨星，终于在哈勃太空望远镜二十年的观测中开始揭开它的秘密。与旅行者二号提供的短暂一瞥不同，哈勃捕捉到了一个不断变化的世界，其特征是季节性光线的变化和剧烈的大气变化。数据揭示了两极附近意外的甲烷消耗、受太阳辐射影响的动态气溶胶变化，以及复杂环流模式的迹象。图片来源：NASA、ESA、Erich Karkoschka (LPL)

天王星是一颗遥远的冰巨星，它以剧烈的侧倾姿态绕太阳公转，是太阳系中最不寻常、最难理解的行星之一。如今，经过20年的开创性研究，科学家们利用美国宇航局的哈勃太空望远镜，发现了有关其大气成分和行为的新细节。这项长期研究得益于哈勃望远镜的高分辨率、先进的光谱工具和非凡的寿命。

这些发现为了解天王星大气如何运作以及如何应对阳光随时间变化提供了新的见解。这些扩展观测有助于科学家更好地理解这颗行星的天气模式和大气动力学，甚至可能为寻找类似大小的系外行星绕遥远恒星运行提供线索。

1986年，美国宇航局的“旅行者2号”探测器飞越天王星时，拍摄到了该行星的第一张近距离图像——一颗光滑的蓝绿色球体，看起来相对平淡无奇。相比之下，哈勃望远镜从2002年到2022年，对天王星进行了长达二十年的观测，揭示了其季节变化和更为复杂的大气层。在埃里希·卡科施卡（亚利桑那大学）、拉里·斯罗莫夫斯基和帕特·弗莱（威斯康星大学）的带领下，研究团队利用哈勃太空望远镜成像光谱仪（STIS）构建了该行星大气层变化的详细图像。

天王星的大气主要由氢和氦组成，还有少量甲烷以及微量的水和氨。甲烷对天王星的外观起着关键作用，它吸收了来自太阳的红光，使天王星呈现出淡蓝色。

这是旅行者 2 号飞船于 1986 年拍摄的天王星图像。图片来源：NASA/JPL-Caltech

哈勃团队在20年间对天王星进行了四次观测：分别在2002年、2012年、2015年和2022年。他们发现，与气态巨行星土星和木星的情况不同，天王星上的甲烷分布并不均匀。相反，甲烷在两极附近严重耗尽。这种耗尽在过去二十年中保持相对稳定。然而，随着2030年北半球夏至的临近，天王星的气溶胶和雾霾结构发生了巨大变化，北极地区亮度显著增强。

天王星绕太阳公转一周所需的时间略多于84个地球年。因此，在过去的二十年里，哈勃团队只观测到北半球的春季，因为太阳将从直射天王星赤道转向2030年几乎直射其北极。哈勃的观测表明，在此期间天王星上存在复杂的大气环流模式。对甲烷分布最敏感的数据显示，极地地区存在下沉，而其他地区则存在上沉。

在中低纬度地区，气溶胶和甲烷消耗具有其自身的纬度结构，在过去二十年的观测中，这些结构基本没有发生太大变化。然而，在极地地区，气溶胶和甲烷消耗的表现却截然不同。

在第三行中，北极附近的气溶胶呈现出急剧的增加，在北半球早春时节显得非常暗，近年来则变得非常明亮。随着太阳辐射的消失，左侧边缘的气溶胶似乎也消失了。这证明太阳辐射改变了天王星大气中的气溶胶雾霾。另一方面，在整个观测期间，两极地区的甲烷消耗似乎都保持在相当高的水平。

随着天王星进入北半球夏季，天文学家将继续对其进行观测。

2009年5月19日，哈勃望远镜由亚特兰蒂斯号航天飞机机组人员释放后，漂浮在地球上空。机组人员在五次太空行走中完成了所有计划任务，使“维修任务4”（SM4）——宇航员第五次访问哈勃太空望远镜——取得了圆满成功。图片来源：NASA

哈勃太空望远镜已经观测宇宙 30 多年，取得了我们这个时代最重要的一些天文发现。哈勃望远镜于 1990 年发射升空，是美国宇航局 (NASA) 和欧洲航天局(ESA) 的联合项目，至今仍是探索深空的最有力工具之一。哈勃的任务由位于马里兰州的 NASA 戈达德太空飞行中心管理，并得到位于丹佛的洛克希德马丁空间公司的支持，是一项合作成果。其科学操作由巴尔的摩的太空望远镜科学研究所执行，该研究所由大学天文研究协会运营。凭借其清晰的分辨率和先进的仪器，哈勃望远镜不断揭示有关星系、恒星、行星和宇宙基本性质的新见解。

编译自/ScitechDaily