来自天王星最大卫星的最新表面数据与预期相反

来自天王星最大卫星的新表面数据与预期相反。天文学家利用美国宇航局的哈勃太空望远镜，着手研究天王星的磁场环境可能如何影响其四颗最大的卫星。他们原本以为会有所发现，但最终却发现了完全不同的结果。得益于哈勃强大而精准的观测，该团队发现了一条令人惊讶的新线索，或许会改变我们对这些遥远冰冻世界的理解。

哈勃望远镜对天王星四颗最大卫星的紫外线观测发现了宇宙的转折：科学家们原本预计天王星磁层的辐射会使卫星的后侧变暗，结果却发现外层卫星的前侧变暗。这些哈勃太空望远镜拍摄的图像展现了天王星的多种面貌。图片来源：NASA、ESA、Mark Showalter（SETI研究所）、Lawrence A. Sromovsky（威斯康星大学麦迪逊分校）、Patrick M. Fry（威斯康星大学麦迪逊分校）、Heidi Hammel（SSI）、Kathy Rages（SETI研究所）

天王星的五颗最大卫星——有时被称为“古典卫星”——从右上角到左下角，呈锯齿状，大致呈对角线状。它们分别被称为天卫三（Titania）、天卫四（Oberon）、天卫七（Umbriel）、天卫五（Miranda）和天卫八（Ariel）。此外，还可以看到天卫八的影子，它叠加在天王星上。这颗蓝色冰巨星周围环绕着微弱、幽灵般的土星光环。图片来源：NASA、ESA、STScI、Christian Soto（STScI）

科学家们利用美国宇航局的哈勃太空望远镜研究天王星强大的磁场如何影响其最大的卫星，但他们的发现却完全出乎意料。

该团队重点研究了天王星的四颗最大卫星。天王星是一颗冰蓝色行星，轨道位于太阳第七位。他们正在寻找天王星磁层（充满带电粒子的磁泡）与卫星表面相互作用的迹象。

他们预测，来自磁层的辐射会使卫星的“后方”面（始终背对轨道方向）变暗。而“前方”面（朝向前方）预计会更亮。

但数据却揭示了不同的故事。哈勃望远镜没有发现后方变暗。相反，外层卫星的前侧却更暗——这与科学家们的预期完全相反。这一令人惊讶的结果表明，天王星的磁层与其卫星的相互作用方式可能并非之前认为的那样，这挑战了先前基于红外观测的发现。

哈勃望远镜敏锐的紫外线视觉和光谱能力使这一发现成为可能，揭示了其他望远镜无法探测到的卫星表面细节。

这项研究中的四颗卫星——天卫一 (Ariel)、天卫二 (Umbriel)、天卫三 (Titania) 和天卫四 (Oberon)——被天王星潮汐锁定，因此它们总是朝向天王星的同一侧。卫星朝向行进方向的一侧称为前半球，而朝向后方的一侧称为后半球。其原理是，沿着磁场线捕获的带电粒子主要撞击卫星的后半球，从而使该半球变暗。

这张天王星及其五颗经典卫星——天卫三、天卫四、天卫七、天卫八和天卫九——的照片由哈勃太空望远镜的先进巡天照相机 (ACS) 拍摄。图中显示了比例尺、罗盘箭头和色标以供参考。比例尺顶部以英里为单位，底部以公里为单位。北向和东向的罗盘箭头指示了图像在天空中的方向。需要注意的是，天空中北向和东向的关系（从下方看）相对于地面地图上的方向箭头（从上方看）是翻转的。这张图片显示了已转换成可见光颜色的可见光波长。色标显示了收集光线时使用了哪种 ACS 滤光片。每个滤光片名称的颜色是用于表示穿过该滤光片的光线的可见光颜色。图片来源：NASA、ESA、STScI、Christian Soto (STScI)

“天王星很奇特，所以它磁场与其卫星的实际相互作用程度一直不确定，”约翰·霍普金斯大学应用物理实验室的首席研究员理查德·卡特赖特解释说。“首先，它相对于黄道倾斜了98度。”

这意味着天王星相对于行星的轨道平面发生了剧烈倾斜。它以非常缓慢的侧向速度绕太阳运行，完成其84年地球周期的公转。

“旅行者2号飞掠天王星时，天王星的磁层与卫星轨道平面的倾斜度约为59度。因此，磁场存在额外的倾斜，”卡特赖特解释道。

由于天王星及其磁场线的自转速度比其卫星绕天王星公转的速度快，磁场线会不断掠过其卫星。如果天王星的磁层与其卫星发生相互作用，带电粒子应该会优先撞击其后方侧的表面。

这些带电粒子，以及我们银河系的宇宙射线，应该会使天卫一、天卫二、天卫三和天卫四的后半球变暗，并可能产生在这些卫星上探测到的二氧化碳。研究小组预计，尤其是对于内侧卫星天卫一和天卫三而言，后半球在紫外线和可见光波段会比前半球更暗。

但他们的发现并非如此。相反，天卫一和天卫二的前半球和后半球的亮度实际上非常相似。然而，研究人员确实观察到了两颗外侧卫星——天卫三和天卫四——的半球之间存在差异——这与他们预期的卫星不同。

更奇怪的是，亮度差异与他们预期的完全相反。这两颗外侧卫星的前半球比后半球更暗、更红。研究小组认为，天王星一些不规则卫星的尘埃覆盖了天卫三和天卫四的前半球。

不规则卫星是指相对于其母行星赤道平面，轨道偏心率较大且倾斜的自然天体。微陨石不断撞击天王星不规则卫星的表面，将小块物质抛射到环绕天王星的轨道上。

数百万年来，这些尘埃物质向内移动到天王星，最终穿过天卫三和天卫四的轨道。这些外层卫星扫过尘埃，主要在它们面向前方的前半球上拾取尘埃。这就像你在高速公路上行驶时，虫子撞到汽车挡风玻璃一样。

这种物质使得天卫三和天卫四的前半球颜色更深、颜色更红。这些外层卫星有效地遮挡了内层卫星天卫一和天卫二免受尘埃的影响，因此内层卫星的半球亮度没有差异。

“我们在土星系统，甚至木星系统也发现了同样的现象，”太空望远镜科学研究所的联合研究员布莱恩·霍勒说道。“这是我们首次发现天王星卫星之间存在类似物质交换的证据。”

“所以这支持了一种不同的解释，”卡特赖特说。“这就是积尘。我甚至没想到会提出这个假设，但你知道，数据总是会让你感到惊讶。”

基于这些发现，卡特赖特和他的团队怀疑天王星的磁层可能相当平静，或者可能比之前认为的更为复杂。也许天王星的卫星与磁层之间确实存在相互作用，但由于某种原因，它们并没有像研究人员猜测的那样导致前后半球的不对称。答案需要对神秘的天王星、它的磁层及其卫星进行进一步研究。

为了观测天王星四颗最大卫星的亮度，研究人员需要哈勃望远镜独特的紫外线观测能力。由于地球大气层的保护作用，在地面上观测紫外线目标是不可能的。目前没有其他太空望远镜拥有与哈勃望远镜相当的紫外线视野和清晰度。

“哈勃望远镜拥有紫外波段的能力，是唯一能够验证我们假设的设施，”太空望远镜科学研究所的克里斯蒂安·索托说道，他负责了大部分数据的提取和分析。索托于6月10日在阿拉斯加安克雷奇举行的第246届美国天文学会会议上公布了这项研究的结果。

美国宇航局詹姆斯韦伯太空望远镜的补充数据将有助于更全面地了解天王星卫星系统及其与该行星磁层的相互作用。

哈勃太空望远镜在地球上空的图像。图片来源：ESA/Hubble (M. Kornmesser & LL Christensen)

哈勃太空望远镜是人类历史上最具标志性和成就卓著的天文台之一，它已运行三十多年，不断革新我们对宇宙的认知。哈勃望远镜于1990年发射升空，几乎在天文学的各个领域都取得了突破性的发现——从揭示宇宙膨胀速度，到捕捉到遥远星系、星云和系外行星的壮丽图像。

哈勃望远镜是美国国家航空航天局（NASA）与欧洲航天局（ESA）国际合作的旗舰项目。它由位于马里兰州格林贝尔特的NASA戈达德太空飞行中心管理，位于丹佛的洛克希德·马丁太空公司负责支持任务运行。位于巴尔的摩的太空望远镜科学研究所由美国大学天文研究协会（AURA）运营，负责监督该望远镜的科学活动，支持世界各地的研究人员探索太空的奥秘。

尽管年事已高，哈勃望远镜仍然是一项重要的科学资产，它提供了地面望远镜因地球大气干扰而无法比拟的高分辨率紫外、可见光和近红外观测数据。它的持久遗产不仅在于其数据，更在于它对太空科学和公众想象力持续产生的深远影响。

太空望远镜科学研究所 (STScI) 是首屈一指的太空天文学中心，致力于通过运营 NASA 一些最重要的天文台来拓展我们对宇宙的理解。STScI 位于马里兰州巴尔的摩，是哈勃太空望远镜的科学运营中心、詹姆斯·韦伯太空望远镜的科学和任务运营中心，以及即将投入使用的南希·格雷斯·罗曼太空望远镜的科学运营中心。

除了监督任务科学外，STScI还管理着芭芭拉·A·米库尔斯基太空望远镜档案（MAST）。该档案由NASA资助，为全球天文学界提供海量太空数据。MAST是哈勃、韦伯、罗曼、开普勒、K2和TESS等关键任务的官方数据存储库。

STScI 由大学天文研究协会 (AURA) 运营，在支持天文发现、任务规划、数据分析和社区参与方面发挥着至关重要的作用，是人类一些最强大的太空望远镜背后的科学引擎。

编译自/ScitechDaily