美國國家航空航天局哈勃望遠鏡慶祝追蹤外行星十年 _美國

據(jù)美國國家航空航天局戈達德太空飛行中心：1989年，美國國家航空航天局的旅行者號任務與海王星相遇，完成了人類對太陽系四顆巨大外行星的首次近距離探索。自1977年發(fā)射以來，旅行者1號和旅行者2號宇宙飛船發(fā)現(xiàn)木星、土星、天王星和海王星比科學家想象的要復雜得多。還有很多東西要學。
美國國家航空航天局哈勃太空望遠鏡觀測項目OPAL（外行星大氣遺產(chǎn)）獲得了木星、土星、天王星和海王星的長期基線觀測，以了解它們的大氣動力學和演變。
美國國家航空航天局位于馬里蘭州格林貝爾特的戈達德太空飛行中心的艾米·西蒙說：“旅行者號并沒有告訴你全部情況。”她與OPAL一起進行了巨型行星觀測。
哈勃望遠鏡的圖像清晰度與旅行者號接近外行星時的圖像清晰度相當，哈勃望遠鏡的波長從紫外光到近紅外光。哈勃是唯一一臺能夠在一致的時間基礎上為云著色、活動和大氣運動的全球研究提供高空間分辨率和圖像穩(wěn)定性的望遠鏡，以幫助限制天氣和氣候系統(tǒng)的潛在機制。

這是美國國家航空航天局哈勃太空望遠鏡拍攝的太陽系四顆巨大外行星的蒙太奇：木星、土星、天王星和海王星，每顆行星都以增強的顏色顯示。這些照片拍攝于2014年至2024年的近10年時間里。這條長基線使天文學家能夠追蹤每顆行星湍流大氣的季節(jié)變化，就像20世紀80年代美國國家航空航天局的行星飛越探測器一樣敏銳。這些照片是在一個名為OPAL（外行星大氣遺產(chǎn)）的項目下拍攝的。圖像：美國國家航空航天局（NASA）、歐洲航天局（ESA）、艾米·西蒙（NASA-GSFC）、邁克爾·H·王（加州大學伯克利分校）；圖像處理：Joseph DePasquale（STScI）
這四顆外行星都有深大氣層，沒有固體表面。它們翻騰的大氣層有自己獨特的天氣系統(tǒng)，有些有五顏六色的云帶，還有神秘的大風暴，會出現(xiàn)或持續(xù)多年。每個外行星也有持續(xù)多年的季節(jié) 。（詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的紅外能力將用于探測外行星的大氣層，以補充OPAL觀測。）
遵循復雜的行為類似于了解多年來地球的動態(tài)天氣，以及太陽對太陽系天氣的影響。這四個遙遠的世界也可以作為了解圍繞其他恒星運行的類似行星上的天氣和氣候的代理。
行星科學家意識到，哈勃望遠鏡的任何一年數(shù)據(jù)雖然本身很有趣，但并不能說明外行星的全部情況。哈勃的OPAL項目每年都會對距離地球最近的行星進行一次常規(guī)觀測。
西蒙說：“由于OPAL現(xiàn)在跨越了10年，而且還在不斷增加，我們的行星觀測數(shù)據(jù)庫正在不斷增長。這種壽命不僅允許偶然的發(fā)現(xiàn)，還可以跟蹤行星繞太陽運行時的長期大氣變化。迄今為止，包括OPAL數(shù)據(jù)的60多篇出版物突顯了這些數(shù)據(jù)的科學價值。” 。
這一回報仍然是一個巨大的數(shù)據(jù)檔案，它帶來了一系列非凡的發(fā)現(xiàn)，可以與世界各地的行星天文學家分享。西蒙說：“OPAL還與其他地面和天基行星項目對接。其他天文臺和太空任務的許多論文都從OPAL中提取了哈勃數(shù)據(jù)作為背景。” 。
該團隊在哈勃OPAL計劃下的十年發(fā)現(xiàn)將在12月華盛頓特區(qū)舉行的美國地球物理聯(lián)合會會議上發(fā)表。
一些亮點：
木星

一幅九格拼貼畫，顯示了哈勃在OPAL（外行星大氣遺產(chǎn)）計劃下于2015年至2024年拍攝的木星圖像，顏色近似真實。OPAL追蹤大紅斑（GRS）和木星帶狀云結構隨時間的其他顯著變化。圖像：美國國家航空航天局（NASA）、歐洲航天局（ESA）、艾米·西蒙（NASA-GSFC）、邁克爾·H·王（加州大學伯克利分校）；圖像處理：Joseph DePasquale（STScI）
木星的云帶呈現(xiàn)出形狀和顏色不斷變化的萬花筒。木星上總是有暴風雨天氣：氣旋、反氣旋、風切變和太陽系中最大的風暴——大紅斑（GRS）。木星在數(shù)萬英里深的大氣層頂部覆蓋著大量的氨冰晶云。

木星的兩個視圖展示了哈勃太空望遠鏡廣角相機3（WFC3）科學儀器上的光譜濾光片提供的豐富信息。在左邊，RGB合成是使用三個波長與人眼看到的顏色相似的濾鏡創(chuàng)建的。在右邊，波長范圍擴大到可見光范圍之外，僅延伸到紫外（UV）和紅外區(qū)域。人類無法感知這些延伸的波長，但一些動物（如螳螂蝦，其眼睛的功能類似于美國國家航空航天局某些任務中的某些傳感器）能夠檢測到紅外線和紫外線。結果是一個生動的圓盤，顯示吸收紫外線的高聳薄霧呈橙色（在兩極和三場大風暴中，包括大紅斑），新形成的冰呈白色（赤道以北的密集風暴羽流）。天文學家，包括OPAL團隊，使用這些過濾器（以及此處未顯示的其他過濾器）來研究云厚度、高度和化學成分的差異。圖像：美國國家航空航天局（NASA）、歐洲航天局（ESA）、艾米·西蒙（NASA-GSFC）、邁克爾·H·王（加州大學伯克利分校）；圖像處理：Joseph DePasquale（STScI）
哈勃的清晰圖像追蹤云層，測量風、風暴和漩渦，此外還監(jiān)測伽馬射線暴的大小、形狀和行為。哈勃緊隨其后的是伽馬射線暴不斷縮?。?風也在加速。OPAL數(shù)據(jù)最近測量了神秘的暗橢圓形（僅在紫外線波長下可見）在平流層霾的“極地罩”中出現(xiàn)的頻率。與地球不同，木星在其軸線上僅傾斜3度（地球為23.5度）。除了木星在其12年的軌道上與太陽的距離變化約5%外，可能不會出現(xiàn)季節(jié)性變化，因此OPAL密切監(jiān)測大氣中的季節(jié)性影響。哈勃望遠鏡的另一個優(yōu)勢是，地面天文臺無法連續(xù)觀測木星兩次旋轉(zhuǎn)，因為這加起來需要20個小時。在此期間，地面上的天文臺將進入白天，木星要到第二天晚上才能看到。
土星

一組“沃霍爾式”的土星圖像描繪了來自多個濾鏡的真實數(shù)據(jù)，這些濾鏡映射到人眼可感知的RGB顏色上。每種濾鏡組合都強調(diào)了云層高度或成分的細微差異。卡西尼號任務的紅外光譜表明，土星的氣溶膠顆粒可能比木星上的化學多樣性更復雜。OPAL項目通過測量云層中的微妙模式如何隨時間變化，擴展了卡西尼號的遺產(chǎn) 。圖像：美國國家航空航天局（NASA）、歐洲航天局（ESA）、艾米·西蒙（NASA-GSFC）、邁克爾·H·王（加州大學伯克利分校）；圖像處理：Joseph DePasquale（STScI）
土星繞太陽運行需要29年多的時間，因此OPAL已經(jīng)跟蹤了大約四分之一的土星年（在卡西尼任務結束后于2018年開始）。因為土星傾斜26.7度，它經(jīng)歷了比木星更深刻的季節(jié)變化。土星的季節(jié)大約持續(xù)七年。這也意味著哈勃望遠鏡可以從近30度的傾斜角度觀察壯觀的環(huán)系統(tǒng)，看到環(huán)是邊對邊傾斜的。邊對邊，環(huán)幾乎消失了，因為它們相對薄如紙。這將在2025年再次發(fā)生。
OPAL追蹤了土星大氣層顏色的變化。卡西尼號軌道飛行器首次探測到這種不同的顏色，但哈勃望遠鏡提供了更長的基線。哈勃望遠鏡顯示，顏色每年都有輕微變化，可能是由云層高度和風引起的。觀測到的變化很微妙，因為OPAL只覆蓋了土星年的一小部分。當土星進入下一個季節(jié)時，會發(fā)生重大變化。
土星神秘的暗環(huán)輻條橫跨環(huán)平面，是與環(huán)一起旋轉(zhuǎn)的瞬態(tài)特征。它們的幽靈般的外觀只會持續(xù)圍繞土星旋轉(zhuǎn)兩三圈。在活動期間，新形成的輻條不斷添加到圖案中。1981年，旅行者2號首次發(fā)現(xiàn)了它們。卡西尼號在2017年結束的13年任務中也看到了這些輻條。哈勃表明，輻條幻影的頻率是季節(jié)性驅(qū)動的，首次出現(xiàn)在2021年的OPAL數(shù)據(jù)中。長期監(jiān)測表明，輪輻的數(shù)量和對比度都隨著土星的季節(jié)而變化。
天王星
天王星是側向傾斜的，因此它的自轉(zhuǎn)軸幾乎位于行星軌道的平面上。這導致這顆行星沿著它繞太陽84年的旅程經(jīng)歷了劇烈的季節(jié)變化。地球傾斜的結果意味著一個半球的一部分在長達42年的時間里完全沒有陽光。OPAL已經(jīng)沿著北極向太陽傾斜。
利用OPAL，哈勃望遠鏡在春分后首次對天王星進行了成像，當時太陽最后一次直接照射在天王星的赤道上。哈勃望遠鏡解決了隨著夏季接近北極，在中北緯地區(qū)出現(xiàn)的甲烷冰晶云的多場風暴。天王星的北極現(xiàn)在有一層增厚的光化學煙霧，在邊界邊緣附近有幾場小風暴。哈勃望遠鏡一直在追蹤北極帽的大?。旮匆荒甑乇淶迷嚼叢攪?。隨著2028年夏至北部的臨近，帽子可能會變得更加明亮，并將直接對準地球，從而可以很好地看到環(huán)和北極。然后，環(huán)系統(tǒng)將面對面出現(xiàn) 。了解天王星如何隨時間變化將有助于美國宇航局提出的天王星軌道器和探測器的任務規(guī)劃。
海王星
當旅行者2號于1989年飛過海王星時，天文學家對大氣中隱約可見的大西洋大小的巨大黑點感到困惑。它像木星的大紅斑一樣長壽嗎？直到1994年哈勃望遠鏡能夠證明這種黑暗風暴是短暫的，在每次持續(xù)兩到六年的時間里突然出現(xiàn)然后消失，這個問題才得到解答。在OPAL計劃期間，哈勃望遠鏡看到了一個黑點的結束和第二個黑點的完整生命周期——兩者都在消散前向赤道遷移。OPAL計劃確保天文學家不會錯過另一個。
哈勃望遠鏡的觀測揭示了海王星云層豐度變化與11年太陽周期之間的聯(lián)系。海王星和太陽活動之間的聯(lián)系令行星科學家感到驚訝，因為海王星是我們太陽系最遠的主要行星。它接收的陽光只有地球的1/1000 。然而，海王星的全球多云天氣似乎受到太陽活動的影響。地球的季節(jié)也起作用嗎？
哈勃太空望遠鏡已經(jīng)運行了三十多年，并繼續(xù)取得突破性的發(fā)現(xiàn) ，這些發(fā)現(xiàn)塑造了我們對宇宙的基本理解。哈勃是美國國家航空航天局和歐洲航天局（ESA）之間的國際合作項目。位于馬里蘭州格林貝爾特的美國國家航空航天局戈達德太空飛行中心負責管理望遠鏡和任務操作。總部位于丹佛的洛克希德·馬丁航天公司也支持戈達德的任務操作。巴爾的摩的太空望遠鏡科學研究所由天文學研究大學協(xié)會運營，為美國國家航空航天局進行哈勃科學操作。

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美國國家航空航天局哈勃望遠鏡慶祝追蹤外行星十年