美国宇航局对天王星内部进行了一次机会难得的观察

2025 年 4 月的一次罕见天体连珠让美国宇航局的科学家有机会在天王星经过一颗遥远恒星前方时对其进行极其详细的研究。这次恒星掩星现象仅在北美西部部分地区可见，它使研究人员能够测量天王星大气的变化，而这种变化几十年来都没有得到如此彻底的研究。

这张由美国宇航局詹姆斯·韦伯太空望远镜的近红外相机（NIRCam）拍摄的天王星照片，精美地捕捉到了天王星季节性的北极冠以及昏暗的内外环。韦伯太空望远镜照片还显示了该行星27颗卫星中的9颗——从2点钟方向开始顺时针方向，它们分别是：Rosalind, Puck, Belinda, Desdemona, Cressida, Bianca, Portia, Juliet 以及 Perdita.。图片来源：美国宇航局、欧空局、加拿大空间局、太空望远镜科学研究所

4月7日，天王星完美地运行到地球和一颗遥远恒星之间，形成了罕见的宇宙事件，被称为恒星掩星。但对NASA的科学家来说，这不仅仅是一次美丽的连珠炮似的星云，更是一次绝佳的机会，让我们能够以30多年来从未有过的方式研究这颗神秘的冰巨星。

通过观察这颗恒星在天王星后方经过时光线的变暗和变亮，科学家们能够以令人难以置信的细节测量这颗行星大气的关键特征，例如其温度、压力和密度。星光的闪烁形成了所谓的光变曲线，它是揭开隐藏在行星高空秘密的有力工具。

艺术家绘制的插图展示了一颗遥远的恒星被天王星遮蔽后消失在视野之外——这一现象被称为行星掩星。图片来源：NASA/先进概念实验室

光变曲线揭示大气秘密

“天王星从一颗距离地球约400光年的恒星前方经过，”美国宇航局位于弗吉尼亚州汉普顿的兰利研究中心的行星科学家、NASA团队称之为“2025天王星掩星行动”的科学首席研究员兼分析负责人威廉·桑德斯说道。“当天王星开始掩星时，行星大气折射了星光，导致恒星看起来逐渐暗淡，最终被完全遮挡。掩星结束时，情况发生了逆转，形成了我们所说的光变曲线。通过利用许多大型望远镜观测掩星，我们能够测量光变曲线，并确定天王星在多个高度层的大气特性。”

来自天王星平流层（大气层的中间层）的详细数据将帮助科学家了解该星球当前的气候状况、几十年来的变化，以及未来对这个遥远冰冷世界的任务将会带来什么。

这幅渲染图展示了恒星掩星期间发生的情况，并展示了科学家记录的光变曲线数据图示例。当天王星掩星时，星光量会发生变化，科学家可以利用这些数据收集天王星的温度和气压等大气测量数据。图片来源：NASA/兰利研究中心高级概念实验室

全球协同努力观测天王星

为了观测这一持续约一小时且仅在北美西部可见的罕见事件，美国宇航局兰利的行星科学家带领一支由 30 多名天文学家组成的国际团队使用了18 个专业天文台。

“这是我们首次在如此规模的掩星观测中展开合作，”桑德斯说道。“我非常感谢团队的每一位成员和每个天文台参与这次非凡的观测。NASA将利用对天王星的观测数据来确定能量在大气中的运动方式，以及导致其上层温度异常升高的原因。其他机构将利用这些数据测量天王星的光环、大气湍流以及它绕太阳的精确轨道。”

2025年4月7日，天王星掩星事件发生期间，NASA 2025年天王星掩星活动首席研究员 Kunio Sayanagi 与合作伙伴进行线上会议，并在位于弗吉尼亚州汉普顿的 NASA 兰利研究中心的飞行任务支持中心观察数据。图片来源：NASA/Dave MacDonnell

揭开天王星轨道和环的神秘面纱

了解天王星的位置和轨道并不像听起来那么简单。1986年，美国宇航局的“旅行者2号”宇宙飞船成为第一艘也是唯一一艘飞越天王星的宇宙飞船，比1996年发生的上一次明亮恒星掩星事件早了十年。而且，天王星在太空中的精确位置精度仅为100英里左右，因此分析这些新的大气数据对于美国宇航局未来探索这颗冰巨星至关重要。

这些调查之所以成为可能，是因为大量的合作伙伴通过许多不同的仪器提供了许多关于恒星掩星的独特视图。

2025年4月7日，天王星掩星期间，美国宇航局行星科学家威廉·桑德斯和德克萨斯农工大学研究助理埃里卡·库克在位于德克萨斯州杰夫戴维斯县的麦克唐纳天文台奥托·斯特鲁维望远镜的控制室里。图片来源：约书亚·桑塔纳

美国宇航局红外望远镜设施加入此项努力

艾玛·达尔 (Emma Dahl) 是加利福尼亚州帕萨迪纳市加州理工学院的博士后学者，她协助收集了位于夏威夷莫纳克亚山顶的美国宇航局红外望远镜设施 (IRTF) 的观测数据，该天文台最初是为了支持美国宇航局的航海者任务而建造的。

“作为科学家，我们合作才能取得最佳成果。这是NASA科学家、学术研究人员和业余天文学家共同努力的成果，”达尔说道。“气态和冰态巨行星（木星、土星、天王星和海王星）的大气层是绝佳的大气实验室，因为它们没有固体表面。这使我们能够研究云的形成、风暴和风型，而不会受到表面产生的额外变量和影响的影响，而这些变量和影响会迅速使模拟变得复杂。”

在亚洲进行的测试使四月份的预测更加准确

2024年11月12日，NASA兰利中心的研究人员及其合作者成功进行了一次测试，为4月份的掩星做准备。兰利中心协调了日本的两台望远镜和泰国的一台望远镜，观测了一场仅在亚洲可见的、较暗的天王星掩星事件。这些观测者通过此次测试，学会了如何校准他们的仪器以观测掩星现象，而NASA也得以验证其理论：多个天文台合作，能够在4月份捕捉到天王星的这一重大事件。

巴黎天文台和空间科学研究所的研究人员与美国国家航空航天局（NASA）合作，协调了印度两台望远镜对2024年11月天王星掩星事件的观测。这些对天王星及其光环的观测，使这些研究人员（他们也是4月7日掩星小组的成员）能够将4月7日掩星时间的预测精确到秒，并改进了模型，将天王星掩星期间的预期位置更新了125英里。

天王星为何成为冰巨星

天王星距离地球近20亿英里，其大气层主要由氢和氦组成。它没有固体表面，而是由水、氨和甲烷组成的柔软表面。它被称为冰巨星，是因为它内部含有大量冰点相对较低的旋转流体。土星是最著名的拥有光环的行星，而天王星则拥有13个由冰和尘埃组成的已知光环。

展望未来：2031年更明亮的掩星

未来六年，天王星将掩蔽几颗较暗的恒星。NASA希望在2031年对下一次明亮的天王星掩星进行机载和太空测量，届时掩星的恒星将比今年四月观测到的那颗更加明亮。

编译自/ScitechDaily