Webb和哈勃逐层揭示土星大气

环带巨行星的两只眼睛

NASA公布了迄今为止拼接得最为细致的土星综合视图。这幅图像由人类最强大的两台空间望远镜的观测数据合成而成，分别是詹姆斯·韦布空间望远镜和哈勃空间望远镜。两台望远镜相隔14周，以互补波长对土星成像，共同呈现出一幅从深层云层一直延伸到大气最上层的行星画面，揭示出单一望远镜无法独自捕捉的结构特征。

哈勃的观测于2024年8月22日在可见光下完成。韦布于2024年11月29日进行的红外观测，则捕捉到了同一颗行星截然不同的景象：环带呈现出冰白色光辉，两极带有明显的灰绿色调，而在光学波段中不可见的大气特征则变得格外突出。将这两组数据结合起来，科学家能够同时切开土星大气的多个高度层，NASA研究人员形容这就像剥洋葱一样层层揭开。

缎带波与六边形

在合成图像中可见的特征之一是土星的缎带波，这是一股长期存在的急流，蜿蜒穿过行星北半球的中纬度地区。其曲折路径由平流层气体流动中的大气扰动塑造而成，而这种扰动若没有红外观测提供的高度敏感性就无法看见。缎带波最早由旅行者号任务在20世纪80年代初观测到，但从未以如此细致的程度被刻画。

两张图像中还可见土星标志性的北极六边形的一部分。这是一种巨大的六边形急流结构，几十年来，甚至可能更久，一直存在于土星北极周围。新版合成图中，六边形的尖角轮廓隐约可辨，而红外与可见光视图之间的对比，为了解六边形结构与不同高度的大气层之间的关系提供了新的信息。旅行者1号于1981年首次记录这一六边形；随后包括卡西尼号13年轨道巡测（于2017年结束）在内的任务对其进行了越来越细致的研究，而韦布与哈勃的组合又将这一记录进一步延展。

红外中捕捉到的残余风暴

韦布红外图像中最引人注目的特征之一，是一个小而清晰的大气斑点，它是2010年至2012年间席卷土星北半球的春季大风暴的残余。那场风暴是空间时代在太阳系任一行星上观测到的最大规模大气事件之一，制造出一场环绕整个土星北半球的扰动。12年后，它的痕迹仍可在热红外中被探测到，这证明了土星天气系统的深度与持久性。

红外与可见光中的环系统

土星环在电磁波谱的不同区域表现各异，而合成图像将这种对比展现得十分鲜明。在哈勃的可见光视图中，土星环呈现出人们熟悉的金色与棕褐色条带结构。在韦布的红外视图中，同样的环带则发出明亮的冰白色霓虹般光芒，这是由于环粒子的主要成分水冰在近红外波段具有很高的反射率。

图像中出现了土星的6颗卫星：贾努斯、狄俄涅、土卫二、米马斯、厄比米修斯和泰坦。土卫二已知拥有地下海洋，并在南极通过间歇泉喷发水蒸气，在广角画面中，它以环边附近一个微小而明亮的点显现出来。

多波长天文学的科学价值

新的土星观测展示了同时运行多台互补观测台背后的科学策略。韦布和哈勃的初始任务不同，波长能力也不同，但它们同步运行，使天文学家能够将视角结合起来，以前所未有的深度揭示行星结构。韦布的红外灵敏度可以探测对可见光不透明的大气层；哈勃在可见光下的高分辨率则能清晰捕捉云层结构和表面特征，而这一点即使韦布在相应波段也难以匹敌。

这次联合观测建立在卡西尼号轨道器的数据遗产之上。卡西尼号在土星轨道上运行了13年，直到2017年9月被有意送入土星大气。卡西尼号提供了迄今最详尽的土星大气、环和卫星的原位表征，而韦布与哈勃的观测则通过让天文学家能够从地球轨道附近持续监测这颗行星的天气和大气演化，扩展了这一认识。随着两台望远镜都处于最佳运行阶段，天文学家预计会定期回访土星，建立一套大气动力学的时间序列记录，为研究巨行星天气的模型提供数十年的依据。

本文基于 science.nasa.gov 的报道。阅读原文。