JWST绘制天王星古怪磁性大气三维地图

绘制冰巨星大气的三维地图

天王星一直是太阳系最神秘的行星之一,这颗冰冷的冰巨星侧向自转,拥有一个与已知行星科学中任何其他磁场都不同的磁场。现在,利用詹姆斯·韦伯太空望远镜上的强大仪器,科学家们实现了以前从未做过的事情:创建行星上层大气的完整三维地图,追踪距离云顶5,000公里高度处的温度和带电粒子。

观测是在2025年1月19日进行的,使用JWST的近红外光谱仪(NIRSpec)仪器进行了连续15小时的观测会议。具体来说,该团队使用了积分场单元功能,可以同时在二维视场内捕捉光谱信息。这使研究人员能够详细描绘行星的电离层,即大气的带电上层,其中太阳辐射和磁场相互作用产生了行星上一些最动态的现象。

要理解JWST在天王星上观测到的东西,首先必须了解是什么让这颗行星的磁场如此不寻常。太阳系中大多数行星的磁场大致与其自转轴对齐。例如,地球的磁北极与地理北极的偏差仅约11度。

天王星打破了这一常规。其磁场与行星自转轴的倾斜度约为59度,并从行星中心偏移约行星半径的三分之一。更复杂的是,天王星本身相对于其轨道平面的倾斜度接近98度,这意味着它基本上以侧面方式绕太阳滚动。

这些极端倾斜的结合产生了磁层,即由行星磁场主导的空间区域,这是太阳系中最奇异的之一。当天王星自转时,其磁场在空间中摇晃和扭曲,其方式与地球、木星或土星相对有序的磁层几乎没有相似之处。

研究人员证实了这一表征,将天王星的磁层描述为太阳系中最奇异的之一,因为它相对于行星的自转轴是倾斜和偏移的。这种配置对行星的上层大气和整个能量分布产生了深远的影响。

在地球上,极光在磁极周围形成相对稳定的光环,形成熟悉的北极光和南极光。磁轴和地球自转轴之间的对齐意味着这些极光带保持在大致一致的纬度。

在天王星,故事完全不同。磁轴和自转轴之间的严重错位导致极光区域以复杂的、随时间变化的模式扫过行星表面。极光不是形成稳定的光环,而是随着行星的自转而移动和迁移,用不断变化的配置为上层大气涂上能量。

JWST观测揭示了这些模式中的独特特征,包括靠近磁极的明亮发射带,由发射减少的暗区分隔。这些暗区,其中电离层显得相对安静,提供了有关能量如何分布在大气中以及磁场在何处引导太阳风带电粒子的重要线索。

三维地图绘制能力对于理解这些模式至关重要。之前从地面望远镜和1986年旅行者2号飞掠中对天王星的观测只能捕捉二维快照。通过在三维中解析大气,JWST数据使科学家能够看到温度和带电粒子密度如何不仅在行星表面上变化,而且随着高度变化,揭示了磁场影响的垂直结构。

观测活动中最有趣的发现之一是天王星的上层大气在过去三十年里继续冷却。JWST测量的温度平均约426开尔文(约153摄氏度或307华氏度),虽然按照日常标准仍然极其炎热,但比旅行者2号遭遇期间和之后进行的测量要冷。

这种长期冷却趋势引发了关于行星上层大气能量平衡的问题。多个因素可能对这一现象有所贡献:

区分这些可能性将需要在未来几年和数十年中继续监测,使JWST成为长期行星科学的宝贵工具。

JWST观测捕捉到了来自天王星上层大气物种的极其微弱的分子辐射。这些辐射是由分子被太阳辐射或粒子轰击激发,然后以红外光形式释放能量时产生的,携带了关于大气温度、成分和动力学的详细信息。

检测这些辐射需要JWST在近红外波长下的非凡灵敏度。来自天王星上层大气的信号极其微弱,比来自行星较深云层的辐射暗淡数个数量级。JWST能够以三维地图所需的空间和光谱分辨率解析这些信号的事实证明了该望远镜在行星科学中的革命性能力。

天王星及其同伴冰巨星海王星代表了一类在银河系中非常常见的行星。对系外行星(绕太阳以外的星球运行的行星)的调查揭示了冰巨星大小的世界是银河系中最丰富的行星类型之一。然而,天王星和海王星仍然是我们太阳系研究最少的行星,仅在旅行者2号短暂飞掠期间被航天器访问过一次。

理解天王星的磁场如何与其大气相互作用不仅仅是行星好奇心的练习。它为科学家用于解释对绕其他恒星运行的遥远行星观测的模型提供了基本真理。随着望远镜能够表征绕其他恒星轨道运行的世界的大气和磁环境,从JWST获得的天王星详细理解将充当必要的参考点。

来自这次观测活动的数据将随着研究人员进行更深入的分析而继续产生见解。任何冰巨星的首个三维大气地图代表了一个里程碑式的成就,它为理解这些寒冷、遥远和深刻奇异的世界建立了新的基线。

本文基于《科学日报》的报道。阅读原始文章。