1989 年,NASA 的旅行者 2 号探测器飞掠海王星,完成了人类对太阳系四大外行星的首次近距离探索。
自 1977 年旅行者 1 号与 2 号发射以来,这两艘探测器揭示了木星、土星、天王星与海王星的复杂性,远超出科学家的预期,显示这些行星仍有无数未解之谜等待发掘。
随后,哈勃太空望远镜的上线开启了外行星观测的新篇章。通过其「外行星大气层长期观测计划」,哈勃对木星、土星、天王星和海王星的大气进行长期观测,深入研究其大气动态与演化。这些观测揭示了旅行者未能呈现的更多细节。
如今,该计划已迎来十周年,成为科学界研究这些行星动态与演化的重要里程碑。哈勃的高解析度影像清晰度媲美旅行者近距离观测的成果,并涵盖从紫外线到近红外线的广泛波段。作为唯一能长期稳定以高解析度追踪外行星大气运动与云层颜色变化的望远镜,哈勃为研究外行星的气象与气候系统运作机制提供了无可取代的数据。
木星、土星、天王星与海王星的大气层深厚且无固态表面,大气湍流形成了独特的天气系统,包括色彩斑斓的云带和持续多年的大型风暴。
此外,这些行星的季节变化可长达数十年。近年来,詹姆斯·韦伯太空望远镜以其强大的红外线观测能力,对这些行星的大气层进行更深入探测,补充了哈勃的观测成果,使科学家得以更精确地追踪这些行星复杂的动态气候系统。同时,这些研究也帮助我们了解太阳对太阳系行星气候的影响,并为研究其他恒星系统中的类似行星提供重要参考。
自「外行星大气层长期观测计划」启动以来,过去十年间资料库持续扩展,成为科学家追踪行星绕太阳运行过程中大气层长期变化的重要资源,为未来的行星气候与天气研究奠定了坚实基础。以下是哈勃「外行星大气层长期观测计划」十年来的一些亮点。
木星
木星的云带形状与色彩千变万化,变幻不定。其表面展现出剧烈的天气现象,包括气旋、反气旋、风切变,以及太阳系中最大的风暴「大红斑」。木星的大气层深达数万公里,表面覆盖着主要由氨冰晶构成的云层。哈勃的持续观测能精准的追踪这些云层的动态,测量风速、风暴与涡流,并持续监测大红斑的大小、形状与行为变化。哈勃的观测显示,大红斑的体积正持续缩小,但其风速却在加快。
与地球不同,木星自转轴的倾角仅约 3 度,因此通常不会出现显著的季节变化。然而,由于木星绕太阳公转时距离会有约 5%的变化,其 12 年的轨道周期中仍可能出现些微的季节效应。哈勃密切监测木星大气层,深入研究这些变化。
值得一提的是,在监测木星方面,哈勃相较地表天文台具有显著优势。地面望远镜无法连续观测木星完整的两个自转周期(约 20 小时),因为地球的白昼会中断观测,需等到下一晚才能再次观测木星。哈勃的高解析度和全天候观测能力,为了解木星大气的动态提供了关键数据。
土星
哈勃太空望远镜于 9 月 12 日拍摄的最新影像显示,土星北半球的颜色变化迅速且显著,延续了卡西尼号探测器检测到的趋势。哈勃的长时间观测也发现标志性的六边形风暴(旅行者 2 号于 1981 年首次发现)在 2020 年一度模糊,但 2021 年的观测再次清晰可见。另外,哈勃捕捉到南半球冬季后的景象,显示南极呈现持续的蓝色调。这些观测使研究人员能追踪土星的季节性变化,并精确辨识带状区域的细微变化。这样的精细程度是地面望远镜难以达成的。
土星绕太阳公转需 29 年多,卡西尼号任务结束后,自 2018 年起哈勃已长期追踪约四分之一的土星年。由于自转轴倾斜 26.7 度,土星的季节变化显著,每个季节约持续七年。哈勃的观测不仅解析了土星的环系统,还记录了环几乎「消失」的现象,大约每 15 年,厚度仅约 10 米的环会呈现边缘朝向地球的状态,使得看起来环会几乎消失,这一现象将于 2025 年 3 月再次出现。
此外,土星环中的暗色辐射状条纹是一种与环系统一起旋转的短暂特征,仅在环绕两到三圈期间可见。1981 年由旅行者 2 号首次发现,卡西尼号在其任务中多次记录到这些条纹的活动。哈勃的观测显示,条纹的出现频率与土星的季节变化有关,其数量和对比度会随季节不同而变化。
哈勃的长期观测延续了旅行者与卡西尼的研究,并揭示了土星环系统与大气动态的更多细节,为探索土星的季节性与环系统演化提供了关键数据。
天王星
哈勃太空望远镜于 10 月 25 日拍摄的天王星影像,突显其北极增亮的现象。随着北半球进入春季,紫外线辐射增强使极地区域更明亮。由于天王星自转轴几乎平躺于轨道平面上,绕太阳公转需 84 年,导致其经历极端季节变化,其中一个半球可长达 42 年无法接受阳光。目前,哈勃正在追踪北极,逐渐朝向太阳,伴随风暴与甲烷冰晶云的出现。哈勃的长期观测为天文学家深入研究天王星的环系统与大气动态提供了重要数据。
海王星
1989 年,旅行者 2 号飞掠海王星时,发现其大气中存在一个相当于大西洋大小的巨大黑斑,引发天文学家对其是否类似木星大红斑的长久现象的猜测。
1994 年,哈勃太空望远镜的观测证实,这些黑色风暴是短暂的,通常在两至六年内形成并消散。哈勃记录了一个黑斑的消散过程以及另一个黑斑的完整生命周期,这些风暴通常向赤道移动后消失。持续观测让天文学家能追踪黑斑的出现与演化。近期的 9 月 7 日观测中,天文学家发现一个大黑斑依然存在,其轨迹从向赤道移动转为逆向。同时,北半球呈现变暗现象,南极周围则出现显著的暗色细长圆环。
哈勃的观测还揭示了海王星云层丰度的变化与 11 年太阳周期之间的关联性。这一发现令人惊讶,因为海王星距离太阳最远,仅接收约千分之一的地球日照量,但其全球云层天气似乎受太阳活动影响。
来源: https://tam.gov.taipei/News_Content.aspx?n=EF86D8AF23B9A85B&sms=F32C4FF0AC5C2801&s=C7438992D2C58CC9 https://hubblesite.org/contents/news-releases/2024/news-2024-010
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