哈勃對(duì)天王星20年的研究帶來(lái)了新的大氣見解 _美國(guó)

據(jù)美國(guó)國(guó)家航空航天局戈達(dá)德太空飛行中心：圍繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)的冰巨星天王星是一個(gè)奇怪而神秘的世界。現(xiàn)在，在一項(xiàng)跨越二十年的前所未有的研究中，使用美國(guó)宇航局哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的研究人員發(fā)現(xiàn)了對(duì)地球大氣組成和動(dòng)力學(xué)的新見解。這之所以成為可能，是因?yàn)楣h(yuǎn)鏡的分辨率高、光譜能力強(qiáng)、壽命長(zhǎng) 。
該團(tuán)隊(duì)的研究結(jié)果將幫助天文學(xué)家更好地了解天王星的大氣是如何工作的，以及對(duì)不斷變化的陽(yáng)光的反應(yīng) 。這些長(zhǎng)期觀測(cè)為理解這顆遙遠(yuǎn)的冰巨星的大氣動(dòng)力學(xué)提供了寶貴的數(shù)據(jù)，這可以作為研究類似大小和組成的系外行星的替代品。
1986年，當(dāng)旅行者2號(hào)飛過天王星時(shí)，它提供了這顆側(cè)向行星的特寫照片。它看到的東西就像一個(gè)平淡的藍(lán)綠色臺(tái)球。相比之下，哈勃記錄了2002年至2022年20年的季節(jié)變化。在此期間，亞利桑那大學(xué)的Erich Karkoschka、威斯康星大學(xué)的Larry Sromovsky和Pat Fry領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)使用相同的哈勃儀器STIS（太空望遠(yuǎn)鏡成像光譜儀）繪制了天王星大氣結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確圖像。
天王星的大氣層主要是氫和氦，還有少量的甲烷和微量的水和氨。甲烷通過吸收太陽(yáng)光的紅色波長(zhǎng)使天王星呈現(xiàn)青色。
哈勃團(tuán)隊(duì)在20年的時(shí)間里觀測(cè)了天王星四次：2002年、2012年、2015年和2022年。他們發(fā)現(xiàn)，與氣態(tài)巨星土星和木星的情況不同，甲烷在天王星上的分布并不均勻。相反，它在兩極附近被嚴(yán)重耗盡。這種消耗在二十年里保持相對(duì)穩(wěn)定。然而，氣溶膠和霧霾結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大變化，隨著2030年地球接近其北部夏至，北極地區(qū)明顯變亮。

圖像列顯示了STIS在20年期間觀測(cè)天王星的四年中天王星的變化。在這段時(shí)間里，研究人員觀察了天王星的季節(jié) ，因?yàn)槟蠘O地區(qū)變暗進(jìn)入冬季陰影，而北極地區(qū)隨著北方夏季的臨近而變亮。來(lái)源：美國(guó)國(guó)家航空航天局、歐洲航天局、埃里希·卡爾科什卡（LPL）
天王星繞太陽(yáng)一周需要84個(gè)地球年多一點(diǎn)的時(shí)間。因此，在過去的二十年里，哈勃團(tuán)隊(duì)只看到了大部分北方的春天，因?yàn)樘?yáng)在2030年從直接照射在天王星赤道上轉(zhuǎn)向幾乎直接照射在其北極上。哈勃望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)表明，在此期間天王星的大氣環(huán)流模式復(fù)雜。對(duì)甲烷分布最敏感的數(shù)據(jù)表明，極地地區(qū)存在下行流，其他地區(qū)存在上行流。
該團(tuán)隊(duì)從幾個(gè)方面分析了他們的結(jié)果。圖像列顯示了STIS在20年期間觀測(cè)天王星的四年中天王星的變化。在這段時(shí)間里，研究人員觀察了天王星的季節(jié)，因?yàn)槟蠘O地區(qū)（左）變暗進(jìn)入冬季陰影，而北極地區(qū)（右）則隨著北方夏季的臨近而變得更加明亮。
最上面一排，在可見光下，顯示了即使是業(yè)余望遠(yuǎn)鏡也能看到天王星的顏色在人眼眼中的樣子。
在第二行，這顆行星的假彩色圖像是由可見光和近紅外光觀測(cè)組合而成的。顏色和亮度對(duì)應(yīng)于甲烷和氣溶膠的量。在2002年哈勃的STIS首次瞄準(zhǔn)天王星之前，這兩個(gè)量都無(wú)法區(qū)分。一般來(lái)說，綠色區(qū)域表示甲烷比藍(lán)色區(qū)域少，紅色區(qū)域表示沒有甲烷。紅色區(qū)域位于邊緣，天王星的平流層幾乎完全沒有甲烷。
底部的兩行顯示了氣溶膠和甲烷的緯度結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)是從可見光到近紅外的1000個(gè)不同波長(zhǎng)（顏色）推斷出來(lái)的。在第三行中，明亮的區(qū)域表示多云的情況，而黑暗的區(qū)域表示更清晰的情況。在第四行中，明亮的區(qū)域表示甲烷耗盡，而黑暗的區(qū)域顯示甲烷的全部含量。
在中低緯度地區(qū)，氣溶膠和甲烷消耗有自己的緯度結(jié)構(gòu)，在二十年的觀測(cè)中，這些結(jié)構(gòu)大多沒有太大變化。然而，在極地地區(qū)，氣溶膠和甲烷的消耗表現(xiàn)非常不同。
在第三行中，北極附近的氣溶膠急劇增加，在早春期間表現(xiàn)為非常暗，近年來(lái)變得非常明亮。隨著太陽(yáng)輻射的消失，左肢的氣溶膠似乎也消失了。這是太陽(yáng)輻射改變天王星大氣中氣溶膠霾的證據(jù) 。另一方面，在整個(gè)觀測(cè)期間，兩極地區(qū)的甲烷消耗似乎都保持在相當(dāng)高的水平。
隨著天王星接近北方夏季，天文學(xué)家將繼續(xù)觀測(cè)天王星。
哈勃太空望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)運(yùn)行了三十多年，并繼續(xù)取得突破性的發(fā)現(xiàn)，這些發(fā)現(xiàn)塑造了我們對(duì)宇宙的基本理解。哈勃是美國(guó)國(guó)家航空航天局和歐洲航天局（ESA）之間的國(guó)際合作項(xiàng)目。位于馬里蘭州格林貝爾特的美國(guó)國(guó)家航空航天局戈達(dá)德太空飛行中心負(fù)責(zé)管理望遠(yuǎn)鏡和任務(wù)操作。總部位于丹佛的洛克希德·馬丁航天公司也支持戈達(dá)德的任務(wù)操作。巴爾的摩的太空望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究所由天文學(xué)研究大學(xué)協(xié)會(huì)運(yùn)營(yíng) ，為美國(guó)國(guó)家航空航天局進(jìn)行哈勃科學(xué)操作。