NASA 的詹姆斯·韋布太空望遠(yuǎn)鏡(James Webb Space Telescope)與哈勃太空望遠(yuǎn)鏡(Hubble Space Telescope)聯(lián)手,以互補(bǔ)波段呈現(xiàn)了迄今最完整的土星觀測(cè)影像。這不僅僅是更清晰的土星照片,更讓科學(xué)家能夠從不同“深度”理解土星的大氣、極光以及環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
哈勃揭示了土星整體細(xì)微的顏色變化與云帶結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié),而韋布則通過(guò)紅外觀測(cè),探測(cè)從深層云系到高層大氣的結(jié)構(gòu)與化學(xué)組成。兩者結(jié)合,使科學(xué)家可以像“分層切片”一樣解析土星大氣,從而理解不同高度之間是如何相互作用的。
這些成果來(lái)自哈勃一項(xiàng)持續(xù)超過(guò)十年的外行星大氣長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)計(jì)劃,并延續(xù)、補(bǔ)充了卡西尼-惠更斯號(hào)(Cassini–Huygens)在1997年至2017年的觀測(cè)數(shù)據(jù),標(biāo)志著人類對(duì)土星認(rèn)知的重要進(jìn)展。
活躍而復(fù)雜的土星大氣
土星的大氣極為活躍。
韋布的觀測(cè)顯示,在北半球中緯度存在一條長(zhǎng)壽命噴流結(jié)構(gòu)——“帶狀波”(ribbon wave)。這種結(jié)構(gòu)的形態(tài)受到難以直接觀測(cè)的大氣波動(dòng)影響。在其下方的一處亮區(qū),則是2010至2012年“春季大風(fēng)暴”的遺留痕跡。
南半球同樣分布著多個(gè)風(fēng)暴系統(tǒng)。這些結(jié)構(gòu)都由云層下方強(qiáng)烈的氣流與波動(dòng)塑造,使土星成為研究極端條件下流體動(dòng)力學(xué)的重要天然實(shí)驗(yàn)場(chǎng)。
此外,土星北極著名的六邊形噴流結(jié)構(gòu)也在觀測(cè)中被識(shí)別出來(lái)。該現(xiàn)象最早由航海家號(hào)(Voyager)計(jì)劃于1981年發(fā)現(xiàn),至今仍然穩(wěn)定存在,是太陽(yáng)系中最著名、最持久的大尺度天氣現(xiàn)象之一。
隨著北半球逐漸進(jìn)入冬季,這一地區(qū)將有大約15年處于黑暗之中。因此,這批觀測(cè)數(shù)據(jù)可能會(huì)成為直到2040年代之前少數(shù)可獲取的高分辨率資料。
極光與環(huán)系統(tǒng)的新細(xì)節(jié)
JWST的紅外觀測(cè)顯示,土星兩極呈現(xiàn)灰綠色,這可能源于高空氣溶膠層的散射作用,或者與極光活動(dòng)有關(guān)。
極光是帶電粒子與行星磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象。此前,NASA 已利用哈勃與JWST觀測(cè)土星極光,同時(shí)也研究過(guò)木星的壯觀極光,確認(rèn)了天王星的極光存在,并由JWST首次探測(cè)到海王星的極光。
在環(huán)系統(tǒng)方面,土星環(huán)主要由高反射率的水冰構(gòu)成,因此在紅外波段下顯得異常明亮,同時(shí)還會(huì)在行星表面投下陰影,反映其與太陽(yáng)之間的幾何關(guān)系。
進(jìn)一步觀測(cè)表明,土星環(huán)內(nèi)部包含多種精細(xì)結(jié)構(gòu),例如:
輻射狀條紋(spokes)
最厚的中央?yún)^(qū)域 B 環(huán)
位于外側(cè)的 F 環(huán)
由于不同波段對(duì)物質(zhì)與結(jié)構(gòu)的敏感性不同,這些結(jié)構(gòu)在不同觀測(cè)中呈現(xiàn)出差異化特征,使科學(xué)家能夠從多個(gè)角度理解土星環(huán)的組成及其動(dòng)態(tài)變化。
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圖示為詹姆斯·韋布太空望遠(yuǎn)鏡(左)與哈勃太空望遠(yuǎn)鏡(右)對(duì)土星的對(duì)比影像,分別對(duì)應(yīng)近紅外與可見光觀測(cè)。
哈勃突出了土星云帶的細(xì)節(jié)與顏色變化;詹姆斯·韋布則通過(guò)紅外觀測(cè)不同高度的大氣層,清晰呈現(xiàn)風(fēng)暴、波動(dòng)以及明亮的環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),其中還可見2010至2012年“春季大風(fēng)暴”的殘留特征。
圖中同時(shí)標(biāo)注了多顆土星衛(wèi)星,包括:
土衛(wèi)十(Janus)
土衛(wèi)四(Dione)
土衛(wèi)二(Enceladus)
土衛(wèi)一(Mimas)
土衛(wèi)十一(Epimetheus)
兩張影像分別拍攝于2024年8月與11月,并采用不同濾鏡組合呈現(xiàn)近紅外與可見光信息。
土星季節(jié)變化的長(zhǎng)期記錄
土星圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的軌道,以及地球在公轉(zhuǎn)過(guò)程中的位置變化,會(huì)不斷改變我們觀測(cè)土星本體與環(huán)系統(tǒng)的角度。
這組間隔14周的2024年觀測(cè)數(shù)據(jù),記錄了土星從北半球夏季逐步過(guò)渡到2025年分點(diǎn)的過(guò)程。
未來(lái),隨著土星進(jìn)入南半球春季,并在2030年代邁入南半球夏季,南半球的觀測(cè)條件將持續(xù)改善。
哈勃數(shù)十年的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè),已經(jīng)建立了土星大氣演化的完整記錄,使科學(xué)家能夠追蹤風(fēng)暴、帶狀結(jié)構(gòu)及季節(jié)變化;而韋布的紅外能力,則進(jìn)一步拓展了對(duì)大氣結(jié)構(gòu)與動(dòng)力過(guò)程的觀測(cè)范圍。
這使我們能夠從多個(gè)維度,逐步看清土星的整體結(jié)構(gòu)與運(yùn)行機(jī)制。
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