哈勃发现土星环正在加热其大气层

这个秘密已经在众目睽睽之下隐藏了40年。但是，除了旅行者1号和2号飞船以及退役的国际紫外线探测器任务外，一位资深天文学家还利用NASA哈勃太空望远镜和退役的卡西尼号探测器对土星的观测，在一年内将所有这些观测结果整合到一起。

这一发现是：土星巨大的环系统正在加热这颗巨行星的高层大气。这种现象以前从未在太阳系中出现过。这是土星和土星环之间意想不到的相互作用，有可能为预测其他恒星周围的行星是否也有类似土星的环系统提供一个工具。

这张合成图像显示了土星莱曼-阿尔法凸起，这是一种来自氢的持久且和意想不到的过量辐射，由1980年至2017年NASA的三个不同任务，即旅行者1号、卡西尼号和哈勃太空望远镜探测到。2017年北半球土星夏季期间获得的哈勃近紫外图像被用作参考，以勾画该行星的莱曼-阿尔法辐射。土星环看起来比行星本身要暗得多，因为它们反射的紫外线要少得多。在土星环和赤道暗区上方，莱曼-阿尔法凸起看起来是一个延伸的（30度）纬度带，比周围区域亮30%。南半球的一小部分出现在土星环和赤道区域之间，但它比北半球更暗。在凸起区域的北部（图像的右上部分），圆盘的亮度随着纬度的变化逐渐向明亮的极光区域下降，这里显示的是作为参考（没有按比例）。极光区域内的一个黑点代表了行星自转轴的轨迹。人们相信，在特定纬度的大气中落下的冰环粒子和季节效应会导致大气加热，使上层大气的氢在凸起区域反射更多的莱曼-阿尔法光线。土星环和上层大气之间的这种意想不到的相互作用现在被深入研究，以确定新的诊断工具，以估计遥远的系外行星是否有类似土星的环系统。
影像来源：NASA, ESA, Lotfi Ben-Jaffel (IAP & LPL)

最能说明问题的证据是过量的紫外线辐射，被视为土星大气层中热氢的光谱线。辐射的增加意味着有什么东西正在从外部污染和加热高层大气。

最可行的解释是，落在土星大气层上的冰环粒子导致了这种加热。这可能是由于微流星体、太阳风粒子轰击、太阳紫外线辐射或电磁力拾取带电尘埃的影响。所有这些都是在土星引力场的影响下发生，引力场将粒子拉入土星。2017年，当NASA的卡西尼号探测器在任务结束时坠入土星大气层时，它测量了大气成分，并证实许多粒子从土星环上落下。

“虽然土星环的缓慢解体已经众所周知，但它对行星氢原子的影响令人惊讶。通过卡西尼号探测器，我们已经知道了土星环的影响。然而，我们对原子氢含量一无所知。”巴黎天体物理研究所和亚利桑那大学月球与行星实验室的洛特菲·本·贾菲尔（Lotfi Ben-Jaffel）说，是3月30日发表在《行星科学杂志》上的一篇论文的作者。

“所有的一切都是由土星环粒子在特定纬度层流到大气中驱动。它们改变了高层大气，改变了成分。”本·贾菲尔说。“然后还有发生与大气气体的碰撞过程，这可能也会在特定高度加热大气。”

本·贾菲尔的结论需要收集来自四个研究土星的太空任务的紫外线观测档案。这包括美国宇航局的两艘旅行者号探测器在20世纪80年代飞越土星并测量紫外线过量的观测结果。当时，天文学家认为这些测量结果是探测器的噪声。卡西尼号任务于2004年抵达土星，也收集了大气层的紫外线数据（历时数年）。其他数据来自哈勃望远镜和1978年发射的国际紫外线探测器，这是NASA、欧洲航天局（ESA）和英国科学与工程研究委员会的国际合作项目。

但挥之不去的问题是，所有的数据都可能是虚幻的，还是反映了土星上的真实现象。

组装这个拼图的的关键在于本·贾菲尔决定使用哈勃太空望远镜成像光谱仪（STIS）的测量结果。它对土星的精确观测被用来校准其他四个观测过土星的太空任务的档案紫外线数据。他将STIS对土星的紫外线观测与多个太空任务和仪器的光分布进行了比较。

“当一切都经过校准时，我们清楚地看到，所有任务的光谱都是一致的。这是有可能的，这是可能的，因为我们从哈勃望远镜获得了几十年来测量的大气能量转移速率的相同参考点。”本·贾菲尔说。“这对我来说真的是一个惊喜。我只是把不同的光分布数据绘制在一起，然后我意识到，哇，这是一样的。”

四十年的紫外线数据覆盖了多个太阳周期，帮助天文学家研究太阳对土星的季节性影响。通过将所有不同的数据汇集在一起并进行校准，本·贾菲尔发现紫外线辐射的水平没有差异。“在任何时候，在地球上的任何位置，我们都可以跟踪紫外线辐射水平。”他说。这表明来自土星环稳定的“冰雨”是最好的解释。

“我们刚刚开始对一颗行星的高层大气进行环表征。我们最终希望有一种全球性的方法，能够产生关于遥远世界大气的真正特征。这项研究的目标之一是看看我们如何将其应用到围绕其他恒星运行的行星上。我们称之为寻找‘外环’。”

“我们对行星高层大气的这种环表征效应才刚刚开始。我们最终希望有一种全球性的方法，能够产生关于遥远世界大气的真正特征。这项研究的目标之一是看看我们如何将其应用于围绕其他恒星运行的行星。称之为‘外环’的搜索。”

哈勃太空望远镜是NASA和ESA之间的国际合作项目。NASA位于马里兰州格林贝尔特的戈达德太空飞行中心负责管理这架望远镜。巴尔的摩的太空望远镜科学研究所（STScI）负责哈勃望远镜的科学操作。STScI由华盛顿特区特区大学天文研究协会为NASA运营。

参考来源：

https://www.nasa.gov/feature/goddard/2023/hubble-finds-saturns-rings-heating-its-atmosphere