四个世界的故事：回顾哈勃对外太阳系秘密的十年追寻

这是哈勃太空望远镜拍摄的太阳系四大外行星的蒙太奇照片： 木星、土星、天王星和海王星，每颗行星都以增强色彩显示。 这些图像的拍摄历时近 10 年，从 2014 年到 2024 年。 这样长的基线使天文学家能够追踪每颗行星湍流大气层的季节性变化，其清晰度可媲美美国宇航局 20 世纪 80 年代的行星飞越探测器。 这些图像是在一项名为 OPAL（外行星大气遗产）的计划下拍摄的。 资料来源：NASA、ESA、Amy Simon（NASA-GSFC）、Michael H. Wong（加州大学伯克利分校）、Joseph DePasquale（STScI）

明亮的行星木星和土星在天际游荡，罗马人以它们最强大的神命名它们。 几个世纪后，在 17 世纪和 18 世纪，人们通过望远镜发现了土星之外的另外两颗行星。 它们分别以希腊天王星和罗马海王星命名。

早期的天空观测者永远也不会想到，有一天机器人航天器会跋涉数十亿英里去探索这些遥远的世界。 20 世纪 80 年代，美国国家航空航天局（NASA）的旅行者号（Voyager）任务提供了令人惊叹的特写图像，吸引了一代人。 但是，这些航天器只能收集行星数据的短暂快照，就像一辆旅游巴士在大陆上疾驰。

这时，哈勃太空望远镜出现了，接替了这一星际"刘易斯和克拉克"探险队的工作。 天文学家们意识到，外行星远比想象的要复杂得多。 关于它们动荡、多彩、寒冷的大气层，还有很多东西有待了解。 在旅行者计划的基础上，名为 OPAL（外行星大气遗产）的哈勃计划现在已经获得了对木星、土星、天王星和海王星整整十年的观测资料。 哈勃基本上被当作行星间的天气预报员来研究其他世界的气象学。 这为我们了解地球和银河系中其他行星的复杂天气行为提供了新的视角。

这是哈勃太空望远镜拍摄的太阳系四大外行星的蒙太奇照片： 木星、土星、天王星和海王星，每颗行星都以增强色彩显示。 这些图像的拍摄历时近 10 年，从 2014 年到 2024 年。 这样长的基线使天文学家能够追踪每颗行星动荡大气层的季节性变化，其清晰度堪比 20 世纪 80 年代 NASA 的行星飞越探测器。从左上角向中间，三张茶色天王星图像上朦胧的白色极冠随着天王星接近北部夏季而显得更加正面。从右中到右远中，三张蓝色海王星图像显示了云层随着太阳辐射水平的变化而来来去去。在OPAL的十年观测中，海王星上的几个神秘黑点依次出现和消失。黄褐色土星的七幅图像在马赛克中央呈三角形延伸，OPAL每年观测一幅，显示了环面相对于地球视角的倾斜度。 大约每隔 15 年就能看到相对较薄的星环（约一英里厚）的边缘。 2018年，它们接近向地球的最大倾斜度。 随着天气的变化，土星云带的色彩变化也会随之变化。底部中央，三张跨越近十年的木星图像组成了一个三角形。 木星的带状云层结构--区域和带状云层--发生了显著变化。 OPAL 测量到传说中的大红斑正在缩小，同时它的自转周期也在缩短。 资料来源：NASA、ESA、Amy Simon（NASA-GSFC）、Michael H. Wong（加州大学伯克利分校）、Joseph DePasquale（STScI）

1989 年，美国国家航空航天局的旅行者号任务在遭遇海王星时完成了人类对太阳系四大外行星的首次近距离探索。 自 1977 年发射以来，旅行者 1 号和旅行者 2 号揭示了木星、土星、天王星和海王星远比科学家们预想的要复杂得多。 它们的发现清楚地表明，要了解的东西还很多。

为了继续这一探索，美国国家航空航天局的哈勃太空望远镜启动了OPAL（外行星大气遗产）计划。 OPAL对外行星进行长期观测，研究它们的大气动力学并跟踪随时间发生的变化，从而更深入地了解这些遥远的世界是如何演变的。

位于马里兰州格林贝尔特的美国宇航局戈达德太空飞行中心的艾米-西蒙（Amy Simon）解释说："旅行者号并没有告诉你全部的情况。"

哈勃望远镜的图像清晰度可与旅行者号接近外行星时看到的图像相媲美，而且哈勃望远镜的波长跨度从紫外线到近红外线。 哈勃望远镜是唯一能提供高空间分辨率和图像稳定性的望远镜，可用于对云的颜色、活动和大气运动进行持续的全球研究，从而帮助确定天气和气候系统的基本机制。

这是一张九幅拼贴画，展示了哈勃在 2015 年至 2024 年 OPAL（外行星大气遗产）计划下拍摄的木星图像，色彩近似真实。 OPAL 跟踪大红斑（GRS）以及木星带状云层结构随时间发生的其他显著变化。 资料来源：NASA、ESA、Amy Simon（NASA-GSFC）、Michael H. Wong（加州大学伯克利分校）、Joseph DePasquale（STScI）

所有四颗外行星都有深厚的大气层，没有固体表面。 它们汹涌澎湃的大气层都有自己独特的天气系统，有些有五颜六色的云带，有些有神秘的大风暴，这些风暴会突然出现或持续很多年。 在围绕太阳公转的过程中，每个星球都有持续多年的季节。 (詹姆斯-韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope）的红外功能将被用来深入探测外行星的大气层，以补充 OPAL 的观测）。

跟踪这些复杂的行为就好比了解地球多年来的动态天气，以及太阳对太阳系天气的影响。 这四个遥远的世界也是了解环绕其他恒星运行的类似行星的天气和气候的替代物。

行星科学家们意识到，哈勃提供的任何一年的数据虽然本身很有趣，但并不能说明外行星的全部情况。 哈勃的"OPAL"计划每年都会在行星最接近地球的时候对它们进行一次例行访问，这种排列方式被称为"对冲"。 这产生了一个巨大的数据档案库，与全世界的行星天文学家分享了一系列非凡的发现。

以下是 OPAL 团队十年发现的亮点。

哈勃太空望远镜的宽视场照相机 3 (WFC3) 科学仪器上的光谱滤镜提供了丰富的信息。 左图是使用三个滤光片制作的 RGB 合成图，波长与人眼看到的颜色相似。 右图中，波长范围从可见光范围扩大到紫外线（UV）和红外线范围。 人类无法感知这些延伸的波长，但一些动物（如螳螂虾，其眼睛的功能类似于美国宇航局某些任务中的传感器）能够探测到红外线和紫外线。 结果是一个生动的圆盘，它将吸收紫外线的高空烟雾显示为橙色（在两极上空和三个大风暴中，包括大红斑），将新形成的冰显示为白色（赤道以北的紧凑风暴羽流）。 包括 OPAL 小组在内的天文学家利用这些滤光片（以及其他未在此处显示的滤光片）来研究云层厚度、高度和化学成分的差异。 资料来源：NASA、ESA、Amy Simon（NASA-GSFC）、Michael H. Wong（加州大学伯克利分校）、Joseph DePasquale（STScI）

木星

木星的云带呈现出千变万化的万花筒形状和色彩。 木星上总是风雨交加：气旋、反气旋、风切变，还有太阳系中最大的风暴--大红斑（GRS）。 木星的大气层深达数万英里，上面覆盖着大量的氨冰晶云。

哈勃的锐利图像可以跟踪云层，测量风、风暴和旋涡，此外还可以监测 GRS 的大小、形状和行为。 哈勃跟踪 GRS 的大小不断缩小，但仍然大到足以吞噬地球。 最近，OPAL 数据测量了平流层烟雾"极罩"中出现神秘暗椭圆的频率--只有在紫外线波长下才能看到。 与地球不同，木星的轴线倾斜度只有 3 度（地球为 23.5 度）。 木星与太阳的距离在其长达 12 年的轨道上大约有 6400 万公里的变化，因此 OPAL 密切监测大气层的季节性影响。 哈勃的另一个优势是，地面天文台无法连续观测木星两圈，因为这加起来长达 20 个小时。 在这段时间里，地面天文台将进入白天，直到第二天傍晚才能看到木星。

OPAL的发现还可能为欧空局的木星冰月探测器Juice提供支持，该探测器于2023年4月14日发射升空。 Juice将利用一套遥感、地球物理和现场仪器对木星及其三颗大型含海洋的卫星--木卫三、卡利斯托和欧罗巴--进行详细观测。 这项任务将确定这些卫星作为行星天体和可能的栖息地的特征，深入探索木星的复杂环境，并将更广泛的木星系统作为整个宇宙中气体巨行星的原型进行研究。

这是一组哈勃太空望远镜拍摄的土星图像，拍摄时间为 2018 年至 2024 年。 这组图像显示了土星围绕太阳运行时，壮丽的星环系统相对于地球视角的倾斜度是如何变化的。 大约每隔 15 年就能看到相对较薄的星环（约一英里厚）的边缘。 2018 年，它们接近向地球的最大倾斜度。 这些图像是在一项名为 OPAL（外行星大气遗产）的哈勃计划下拍摄的。

土星

土星绕太阳一周需要 29 年多的时间，因此 OPAL 对土星的跟踪时间大约为四分之一个土星年（2018 年，在卡西尼飞行任务结束后开始跟踪）。 由于土星倾斜 26.7 度，它比木星经历更深刻的季节变化。 土星的季节大约持续七年。 这也意味着哈勃可以从将近 30 度的斜角观察壮观的星环系统，看到倾斜的星环边缘。 从边缘看，星环几乎消失了，因为它们相对薄得像纸一样。 这种情况将在 2025 年再次发生。

一系列"沃霍尔式"的土星图像描绘了多个滤镜映射到人眼可感知的 RGB 颜色上的真实数据。 每个滤光片组合都强调了云层高度或成分的细微差别。 卡西尼号任务的红外光谱显示，土星的气溶胶粒子可能比木星上的气溶胶粒子具有更复杂的化学多样性。 OPAL计划通过测量云层中的微妙模式如何随时间变化，扩展了卡西尼号的遗产。 资料来源：NASA、ESA、Amy Simon（NASA-GSFC）、Michael H. Wong（加州大学伯克利分校）、Joseph DePasquale（STScI）

OPAL 追踪了土星大气层颜色的变化。 土星大气颜色的变化首先是由卡西尼轨道器探测到的，但哈勃提供了一个更长的基线。 哈勃发现颜色每年都有细微变化，可能是由云层高度和风引起的。 观测到的变化是微妙的，因为 OPAL 只覆盖了土星年的一小部分。 当土星进入下一个季节时，就会发生重大变化。

土星神秘的暗环辐条划过环面，是与环一起旋转的短暂特征。 它们鬼魅般的外观只能围绕土星旋转两到三圈。 在活跃期，新形成的辐条会不断增加图案。 旅行者 2 号在 1981 年首次看到了它们。 卡西尼号在 2017 年结束的长达 13 年的任务中也看到了辐条。 哈勃显示，辐条出现的频率受季节影响，2021 年首次出现在 OPAL 数据中。 长期监测显示，辐条的数量和对比度都随土星的季节而变化。

行星怪胎天王星在 84 年的轨道上绕着太阳滚动，而不是像地球那样以更垂直的姿势旋转。 天王星有一个奇怪的倾斜的"水平"旋转轴，与行星轨道平面的夹角仅相差 8 度。 最近的一种理论认为，天王星曾经有一颗巨大的卫星，它的重力使天王星不稳定，然后撞上了天王星。 其他的可能性还包括行星形成过程中的巨大撞击，甚至是巨行星随着时间的推移相互产生的共振力矩。 行星倾斜的后果是，在长达 42 年的时间里，一个半球的部分地区完全没有阳光照射。 当旅行者 2 号宇宙飞船在 20 世纪 80 年代造访时，这颗行星的南极几乎直指太阳。 哈勃的最新视图显示，北极现在正朝着太阳倾斜。 Credit: Science： NASA， ESA， STScI， Amy Simon (NASA-GSFC)， Michael H. Wong (UC Berkeley)， Image Processing： 约瑟夫-德帕斯卡尔（STScI）

天王星

天王星侧向倾斜，因此其自转轴几乎位于行星轨道的平面上。 这导致这颗行星在绕太阳运行的 84 年中经历了剧烈的季节变化。 行星倾斜的后果意味着一个半球的部分地区完全没有阳光，持续时间长达 42 年。 OPAL已经跟踪了现在向太阳倾斜的北极。

通过 OPAL，哈勃在春分之后首次对天王星进行了成像，此时太阳最后一次直射天王星赤道。 哈勃解析了夏季接近北极时在中北纬出现的多个甲烷冰晶云风暴。 天王星的北极现在有一层增厚的光化学烟雾，在边界边缘附近有几个小风暴。 哈勃一直在追踪北极帽的大小，它在逐年变亮。 随着2028年北方夏至的临近，北极帽可能会变得更加明亮，并将直接对准地球，从而可以很好地观测星环和北极。 届时，星环系统将以正面出现；

这张哈勃太空望远镜拍摄的动态蓝绿行星海王星快照显示了一个巨大的黑暗风暴（中上图）和附近出现的一个较小的黑点（右上图）。 这个巨大的漩涡比大西洋还要宽，在赤道大气层的作用下，它正向南漂移，但突然调转方向，开始向北漂移。 资料来源：NASA、ESA、STScI、M.H. Wong（加州大学伯克利分校）、L.A. Sromovsky 和 P.M. Fry（威斯康星大学麦迪逊分校）

海王星

1989 年，当旅行者 2 号飞越海王星时，天文学家对大气层中若隐若现的一个大西洋大小的巨大黑斑感到非常神秘。 它像木星的大红斑一样长寿吗？ 这个问题一直没有答案，直到哈勃在 1994 年证明，这种暗风暴是短暂的，出现后又消失，每个暗风暴的持续时间为 2 到 6 年。 在 OPAL 计划期间，哈勃看到了一个暗斑的结束和第二个暗斑的整个生命周期--这两个暗斑在消散前都向赤道迁移。 OPAL 计划确保天文学家不会再错过另一个黑点。

哈勃观测发现了海王星云量变化与 11 年太阳周期之间的联系。 它所接受的阳光强度大约是地球的 0.1%。 然而，海王星的全球多云天气似乎受到太阳活动的影响。 海王星的四季（每个季节大约持续 40 年）是否也起了作用？ 如果 OPAL 计划继续在哈勃望远镜上运行到 2179 年，我们也许就会知道了！

哈勃太空望远镜已经运行了三十多年，并不断取得突破性的发现，这些发现形成了我们对宇宙的基本认识。 哈勃望远镜是美国国家航空航天局（NASA）和欧空局（European Space Agency）的国际合作项目。 美国宇航局位于马里兰州格林贝尔特的戈达德太空飞行中心负责管理望远镜和任务运行。 位于丹佛的洛克希德-马丁航天公司也为戈达德的任务运行提供支持。 位于巴尔的摩的太空望远镜科学研究所由天文学研究大学协会运营，为美国国家航空航天局进行哈勃科学运营。

编译自/ScitechDaily