哈勃太空望遠鏡已執(zhí)行任務30多年，已被證明是研究遙遠而神秘的冰巨星天王星的有力工具。通過20年來對這顆行星的反復觀測，天文學家得以追蹤其大氣的長期季節(jié)性變化。這些觀測為了解天王星大氣的行為方式提供了新的見解——這些信息也可能有助于科學家更好地理解大小和成分相似的系外行星。
圖片柱展示了STIS觀測天王星四年間，在20年間的變化。在此期間，研究人員觀察了天王星的四季變化：南極地區(qū)逐漸變暗，進入冬季陰影期；而北極地區(qū)則隨著北半球夏季的臨近而逐漸明亮。圖片來源：NASA、ESA、Erich Karkoschka (LPL)
研究團隊以多種方式分析了他們的研究結果。圖像柱狀圖展示了STIS觀測天王星20年間四年的變化。在這段時間里，研究人員觀察了天王星的四季變化：南極地區(qū)（左圖）在進入冬季陰影后變暗，而北極地區(qū)（右圖）則隨著北半球夏季的臨近而開始更直接地出現(xiàn)在視野中，從而變亮。
最上面一行，在可見光下，顯示了通過業(yè)余望遠鏡看到的天王星在人眼中的顏色。
第二行是該行星的假彩色圖像，由可見光和近紅外光觀測結果組合而成。顏色和亮度與甲烷和氣溶膠的含量相對應。在2002年哈勃望遠鏡的STIS首次瞄準天王星之前，這兩種量都無法區(qū)分。通常，綠色區(qū)域表示甲烷含量低于藍色區(qū)域，紅色區(qū)域表示沒有甲烷。紅色區(qū)域位于邊緣，天王星平流層幾乎完全沒有甲烷。
下面兩行顯示了從可見光到近紅外光的1000種不同波長（顏色）推斷出的氣溶膠和甲烷的緯度結構。在第三行中，亮區(qū)表示云量較多，而暗區(qū)表示云量較多。在第四行中，亮區(qū)表示甲烷耗盡，而暗區(qū)表示甲烷含量充足。
天王星，這顆傾斜而神秘的冰巨星，終于在哈勃太空望遠鏡二十年的觀測中開始揭開它的秘密。與旅行者二號提供的短暫一瞥不同，哈勃捕捉到了一個不斷變化的世界，其特征是季節(jié)性光線的變化和劇烈的大氣變化。數據揭示了兩極附近意外的甲烷消耗、受太陽輻射影響的動態(tài)氣溶膠變化，以及復雜環(huán)流模式的跡象。圖片來源：NASA、ESA、Erich Karkoschka (LPL)
天王星是一顆遙遠的冰巨星，它以劇烈的側傾姿態(tài)繞太陽公轉，是太陽系中最不尋常、最難理解的行星之一。如今，經過20年的開創(chuàng)性研究，科學家們利用美國宇航局的哈勃太空望遠鏡，發(fā)現(xiàn)了有關其大氣成分和行為的新細節(jié)。這項長期研究得益于哈勃望遠鏡的高分辨率、先進的光譜工具和非凡的壽命。
這些發(fā)現(xiàn)為了解天王星大氣如何運作以及如何應對陽光隨時間變化提供了新的見解。這些擴展觀測有助于科學家更好地理解這顆行星的天氣模式和大氣動力學，甚至可能為尋找類似大小的系外行星繞遙遠恒星運行提供線索。
1986年，美國宇航局的“旅行者2號”探測器飛越天王星時，拍攝到了該行星的第一張近距離圖像——一顆光滑的藍綠色球體，看起來相對平淡無奇。相比之下，哈勃望遠鏡從2002年到2022年，對天王星進行了長達二十年的觀測，揭示了其季節(jié)變化和更為復雜的大氣層。在埃里希·卡科施卡（亞利桑那大學）、拉里·斯羅莫夫斯基和帕特·弗萊（威斯康星大學）的帶領下，研究團隊利用哈勃太空望遠鏡成像光譜儀（STIS）構建了該行星大氣層變化的詳細圖像。
天王星的大氣主要由氫和氦組成，還有少量甲烷以及微量的水和氨。甲烷對天王星的外觀起著關鍵作用，它吸收了來自太陽的紅光，使天王星呈現(xiàn)出淡藍色。
這是旅行者 2 號飛船于 1986 年拍攝的天王星圖像。圖片來源：NASA/JPL-Caltech
哈勃團隊在20年間對天王星進行了四次觀測：分別在2002年、2012年、2015年和2022年。他們發(fā)現(xiàn)，與氣態(tài)巨行星土星和木星的情況不同，天王星上的甲烷分布并不均勻。相反，甲烷在兩極附近嚴重耗盡。這種耗盡在過去二十年中保持相對穩(wěn)定。然而，隨著2030年北半球夏至的臨近，天王星的氣溶膠和霧霾結構發(fā)生了巨大變化，北極地區(qū)亮度顯著增強。
天王星繞太陽公轉一周所需的時間略多于84個地球年。因此，在過去的二十年里，哈勃團隊只觀測到北半球的春季，因為太陽將從直射天王星赤道轉向2030年幾乎直射其北極。哈勃的觀測表明，在此期間天王星上存在復雜的大氣環(huán)流模式。對甲烷分布最敏感的數據顯示，極地地區(qū)存在下沉，而其他地區(qū)則存在上沉。
在中低緯度地區(qū)，氣溶膠和甲烷消耗具有其自身的緯度結構，在過去二十年的觀測中，這些結構基本沒有發(fā)生太大變化。然而，在極地地區(qū)，氣溶膠和甲烷消耗的表現(xiàn)卻截然不同。
在第三行中，北極附近的氣溶膠呈現(xiàn)出急劇的增加，在北半球早春時節(jié)顯得非常暗，近年來則變得非常明亮。隨著太陽輻射的消失，左側邊緣的氣溶膠似乎也消失了。這證明太陽輻射改變了天王星大氣中的氣溶膠霧霾。另一方面，在整個觀測期間，兩極地區(qū)的甲烷消耗似乎都保持在相當高的水平。
隨著天王星進入北半球夏季，天文學家將繼續(xù)對其進行觀測。
2009年5月19日，哈勃望遠鏡由亞特蘭蒂斯號航天飛機機組人員釋放后，漂浮在地球上空。機組人員在五次太空行走中完成了所有計劃任務，使“維修任務4”（SM4）——宇航員第五次訪問哈勃太空望遠鏡——取得了圓滿成功。圖片來源：NASA
哈勃太空望遠鏡已經觀測宇宙 30 多年，取得了我們這個時代最重要的一些天文發(fā)現(xiàn)。哈勃望遠鏡于 1990 年發(fā)射升空，是美國宇航局 (NASA) 和歐洲航天局(ESA) 的聯(lián)合項目，至今仍是探索深空的最有力工具之一。哈勃的任務由位于馬里蘭州的 NASA 戈達德太空飛行中心管理，并得到位于丹佛的洛克希德馬丁空間公司的支持，是一項合作成果。其科學操作由巴爾的摩的太空望遠鏡科學研究所執(zhí)行，該研究所由大學天文研究協(xié)會運營。憑借其清晰的分辨率和先進的儀器，哈勃望遠鏡不斷揭示有關星系、恒星、行星和宇宙基本性質的新見解。
編譯自/ScitechDaily
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