天王星

一月份的天空会发生什么？接近太阳，一些容易发现的外行星，并有机会捕捉快速移动的水星。 Credit:NASA/JPL-Caltech 地球在1月2日到达其椭圆轨道上的最近点，称为近日点。太阳在天空中不会明显变大，只大3%左右。(当然，在没有适当保护眼睛的情况下，绝不能直视太阳。记住，仅靠太阳镜是不够的。) Credit:NASA/JPL-Caltech 遥远的外行星天王星太暗淡了，我们大多数人无法用肉眼看到，如果没有计算机引导的望远镜，很难在天空中找到它。但在1月20日，天王星将位于月球和火星之间。 Credit:NASA/JPL-Caltech 在一月的最后两周寻找水星。你需要一个清晰的朝向西方的视野，因为水星将出现在地平线上仅仅几度。 以下是一月的月相。 Credit:NASA/JPL-Caltech 来源： https://solarsystem.nasa.gov/whats-up-skywatching-tips-from-nasa/

美国国家航空航天局的旅行者2号宇宙飞船在进行了8年半的太阳系之旅后，已经准备好迎接另一次挑战。那是1986年1月24日，很快它就会遇到神秘的第七颗行星，冰冷的天王星。 旅行者2号在1986年1月14日接近天王星时拍摄了这张照片。该行星朦胧的蓝色是由于其大气中的甲烷吸收了红色波长的光。 来源：NASA/JPL-Caltech 在接下来的几个小时里，旅行者2号在距天王星云顶50,600英里(81,433公里)的范围内飞行，收集的数据显示出两个新光环、11个新卫星和零下353华氏度(零下214摄氏度)的温度。该数据集仍然是我们迄今为止对天王星进行的唯一近距离测量。 三十年后，科学家重新分析了这些数据，发现了另一个秘密。 整个宇宙物理学界都不知道，34年前旅行者2号飞越了一个等离子体，这是一个巨大的磁泡，可能把天王星的大气层带到了太空。这一发现发表在《地球物理研究快报》(Geophysical Research Letters)上，这一发现提出了有关地球独一无二的磁环境的新问题。 一个诡异而不稳定的磁场 整个太阳系的行星大气都在逃逸到太空中。氢气从金星涌出，加入太阳风（太阳风是一种不断从太阳中逃逸的粒子流）。木星和土星喷射出带电的大气，甚至地球的大气层也在逃逸。(别担心，它还会再存在10亿年左右。) 从人类的时间尺度上来看，这样的影响微乎其微，但如果时间足够长，它可以从根本上改变一个星球的命运。以火星为例。 “火星曾经是一个潮湿的星球，有着厚厚的大气层。”美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心的空间物理学家、火星大气与挥发性演化项目(MAVEN)科学家家吉娜·迪布拉克西奥（Gina DiBraccio）说，“随着时间的推移——在经过了漫长的40亿年的大气泄漏后——它演变成了我们今天看到的干燥的星球。” 行星磁场是大气逃逸的动力，磁场既可以帮助也可以阻止这一过程。物理学家们相信磁场可以保护行星，抵御太阳风吹散大气层。但它们也能创造逃逸的机会，当土星与木星的磁场线纠缠在一起时，两者之间的大气层就可能因此而发生大规模的大气逃逸。不管怎样，为了了解大气如何变化，科学家们密切关注磁性。 这是天王星如此神秘的另一个原因。旅行者2号1986年的飞掠揭示了这颗行星的磁场有多么奇怪。 “它的结构，它移动的方式……”迪布拉齐奥说，“天王星确实是独立存在的。” 与我们太阳系中的任何其他行星不同，天王星几乎完全是在它的一侧旋转——就像烤架上的猪一样——每17个小时完成一次旋转。它的磁场轴与自转轴之间的夹角为60度，所以当天王星自转时，它的磁层——由磁场分割的空间——像投掷不良的足球一样摇摆。科学家们仍然不知道如何建模。 显示天王星磁场的GIF动画。黄色箭头指向太阳，浅蓝色箭头指示天王星的磁轴，深蓝色箭头指示天王星的旋转轴。 来源：NASA/Scientific Visualization Studio/Tom Bridgman 这种奇怪的现象吸引了迪布拉西奥和她的合著者——同为戈达德太空物理学家的丹·格什曼(Dan Gershman)加入到这个项目中来。两人都是一个团队的成员，他们正在制定前往“冰巨星”天王星和海王星的新任务计划，并在寻找需要解决的谜团。30多年前最后一次测量到的天王星的奇怪磁场，似乎是个不错的起点。 因此，他们下载了旅行者2号的磁强计读数，该读数监测了飞船飞行时天王星附近磁场的强度和方向。他们不知道会发现什么，因此比以前的研究放大了更多，每1.92秒绘制一个新的数据点。平滑的线条被锯齿状的尖峰和低谷所取代。那就是他们看到的时候：一个有迷离故事的小锯齿。 你认为那可能是……一个等离子体吗?”格什曼瞥了眼扭曲交缠的线与点，就问迪勃拉西奥。 旅行者2号1986年飞掠天王星的磁强计数据。红线显示的是平均8分钟内的数据，这是旅行者2号之前几项研究使用的时间节奏。在黑线中，同样的数据以1.92秒的时间分辨率绘制出来，显示了等离子体的锯齿状特征。 来源：NASA/Dan Gershman 在旅行者2号飞越天王星时，人们对等离子体知之甚少，但自那以后，等离子体被认为是行星失去质量的重要途径。这些巨大的等离子气泡，或带电的气体，从行星的磁尾部被夹断，磁尾就是行星磁层中被太阳推回的部分，它们就像是无垠宇宙中的风向袋，标示着对垒双方的力量强弱。如果有足够的时间，逃逸的类等离子体可以将离子从行星的大气中吸走，从而从根本上改变其组成。他们曾在地球和其他行星上被观测到，但还没有人在天王星上发现过等离子体。 迪布拉克西奥通过她的处理程序运行了数据，结果显而易见。她说：“我认为它是明确的—气泡逃逸了。” 等离子体逃逸 在旅行者2号45小时的天王星飞行中，迪布拉克西奥和格什曼发现的等离子体只占了60秒。在磁强计的数据中，它表现为一个快速的上下波动。格什曼说:“但是，如果以3D绘制它，则它看起来就像一个圆柱体。” 他们将研究结果与在木星、土星和水星上观察到的等离子体做了比较，估计其圆柱形的长度至少为12.7万英里(20.4万公里)，直径约为25万英里(40万公里)。作者相信，像所有行星等离子体一样，它充满了带电粒子-主要是离子化的氢。 当旅行者2飞越它时，等离子体的内部读数暗示了它的起源。尽管一些等离子体均具有扭曲的内部磁场，但迪布拉克西奥和格什曼的却是平滑的闭合的磁环。这样的环状等离子体是由一颗旋转的行星将其部分大气层抛向太空而形成的。格什曼说:“离心力开始起作用，等离子体开始收缩。”根据他们的估计，在天王星的大气质量损失中，这样的等离子体可能占15%到55%，比木星和土星都要大。这可能是天王星向太空释放大气的主要方式。 随着时间的推移，等离子体逃逸是如何改变天王星的?只有一组观测结果，很难说。 “想象一下，如果有一艘宇宙飞船飞过这个房间，试图描绘整个地球的特征。”迪布拉齐奥说，“显然，它不会向你展示任何有关撒哈拉或南极洲的情况。” 但这些发现有助于聚焦有关天王星的新问题。剩下的谜是吸引人的部分原因。“这就是我热爱行星科学的原因，”迪布拉齐奥说，“你总是去你不知道的地方。” 参考： [1]https://www.nasa.gov/feature/goddard/2020/revisiting-decades-old-voyager-2-data-scientists-find-one-more-secret [2]https://www.nasa.gov/feature/nasa-completes-study-of-future-ice-giant-mission-concepts [3]https://voyager.jpl.nasa.gov/galleries/images-voyager-took/uranus/ [4]https://www.nasa.gov/feature/jpl/voyager-mission-celebrates-30-years-since-uranus

太阳系中的冰巨星：天王星和海王星既神秘又遥远。NASA的詹姆斯•韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope）将在2021年发射后不久，破解关于这两颗行星的大气的秘密，揭开它们的神秘面纱。 哈勃太空望远镜（Hubble Space Telescope）拍摄的这些图像显示了天王星的不同面貌。如左侧图所示，拍摄于2005年的天王中图像中年展示了其光环系统。天王星（连同其光环和卫星）向侧面倾斜，其自转轴的倾斜角度约为90度。在哈勃太空望远镜于一年后所拍摄的特写图中，揭示了天王星的带状结构和一个神秘黑暗风暴。 版权：美国国家航空航天局（NASA）、欧洲航天局（ESA）和M. Showalter (地外文明搜寻研究所，SETI Institute）； 右侧图像：NASA、ESA、L. Sromovsky和P. Fr（威斯康星大学，U. Wisconsin）、H. Hammel（空间科学研究所，Space Science Institute）和K. Rages （SETI Institute） 寒冷而遥远的巨行星天王星和海王星被称为“冰巨星”（ice giants），因为它们的内部结构不同于木星和土星。木星和土星富含氢和氦，被称为“气态巨行星”（gas giants）。此外，冰巨星的体积也小于气体巨行星，介于类地行星（terrestrial planets）和气态巨行星之间。冰巨星是太阳系中被探索最少的一类行星。科学家们利用韦伯太空望远镜任务，通过只有韦伯太空望远镜才能够做到的方式，来研究天王星和海王星的环流模式、化学成分和天气。 这项研究的负责人、英国莱斯特大学（University of Leicester）行星科学副教授利•弗莱彻（Leigh Fletcher）解释道：“韦伯太空望远镜能够做到的关键事情是绘制天王星和海王星的大气温度和化学结构图，这是其他任何太空望远镜都难以实现的。据我们推测，与气态巨行星相比，冰巨星的天气和气候具有根本不同的特征。部分原因在于它们离太阳太远，体积更小，在轴上旋转更慢，同样也因为气体的均匀度和大气混合的量与木星和土星差距极大。” 天王星和海王高层大气中的所有气体都具有韦伯太空望远镜能够探测到的独特化学“指纹”。至关重要的是，韦伯太空望远镜能够区分不同的化学物质。它将能够分辨，这些化学物质是由阳光与大气相互作用产生的，还是通过大规模环流模式从一个地方重新分布到另一个地方的。 这些研究将通过特保时间观测（Guaranteed Time Observations, GTO）项目进行，该项目由行星科学家、韦伯太空望远镜项目的跨学科科学家海蒂•海默（Heidi Hammel）领导。同时，她也是华盛顿哥伦比亚特区大学天文研究协会（Association of Universities for Research in Astronomy, AURA）的副主席。海蒂•海默的项目将证明韦伯太空望远镜观测太阳系天体的能力，并运用韦伯太空望远镜对明亮和/或正在天空中移动的观测对象的一些特定技术。 天王星：倾斜的行星 不同于太阳系中的其他行星，天王星（连同其光环和卫星）是向一侧倾斜的，其自转轴的倾斜角度约为90度。这种独特的轴倾斜可能是在太阳系形成初期与另一颗巨大的原行星（protoplanet）发生剧烈碰撞的结果，导致了天王星上的极端季节。 旅行者2号（Voyager 2）于1986年飞掠天王星时，观测到特征不明显的略带蓝色的天体。一层薄雾遮住了视野中行星上的大部分云层特征。 版权：NASA /喷气推进实验室-加州理工学院（JPL-Caltech） 当NASA的旅行者2号探测器于1986年飞掠天王星时，天王星的一个极点正对着太阳。海蒂•海默解释道：“不管天王星旋转多少，它的其中一个半球始终处于光照下，另一面半球则完全处于黑暗中。这是你所能想象到的最疯狂的事情。” 令人失望的是，旅行者2号只观测到了一颗被薄雾覆盖的光滑行星，只有寥寥几片云。但当哈勃太空望远镜在21世纪初观测天王星时，天王星已经绕轨道运行了四分之一圈。现在，天王星的赤道正对太阳，一天中整颗星球在都能被阳光照射到。 海蒂•海默表示：“理论上而言，什么都不会改变。但事实上却是，天王星开始出现各种各样的亮云，并且哈勃太空望远镜发现了一块黑斑。当天王星环绕着太阳运行时，随着阳光的变化，云层似乎发生了剧烈的变化。” 随着海王星继续其缓慢的轨道运行，它的另一极将于2028正对太阳。 韦伯太空望远镜将深入了解驱动天王星云层和天气形成的强大的季节性力量，以及其随着时间的变化。这将有助于确定能量如何流动并通过天王星大气运输。科学家们希望利用韦伯太空望远镜的整个任务历程来观测天王星，以建立一个天王星大气如何响应极端季节的时间轴。这将有助于他们理解为什么天王星的大气层似乎经历了一段时期的剧烈活动，其间穿插着平静的时刻。 海王星：超音速风的星球 海王星是一颗黑暗、寒冷的星球，然而它却被风速高达每小时1500英里的超音速风搅得天翻地覆。海王星与太阳的距离是地球跟太阳距离的30倍，是太阳系中唯一一颗用肉眼看不到的行星。海王星于1846年被发现，但在此之前，科学家们已经利用数学预测出了其存在。2011年，海王星完成了自被发现以来的第一个165年的太阳轨道周期。 旅行者2号拍摄的这幅海王星图像显示了一颗寒冷、黑暗风暴肆虐的星球。1989年，NASA的旅行者2号成为第一个也是唯一一个观测海王星的探测器，在距离海王星北极约3000英里的上空飞过。 版权：NASA /JPL-Caltech 与天王星类似，海王星的深层大气由水、氨、硫化氢和甲烷组成，包裹在未知的、难以到达的内核之外。上层大气由氢、氦和甲烷构成。同天王星一样，甲烷使海王星呈现出蓝色，但大气中一些仍然神秘未知的化学物质使海王星的蓝色比天王星更引人注目。 利•弗莱彻解释道：“关于海王星也存在同样的问题：能量是如何流动的，又是如何在行星大气中运输的？但海王星的情况不同于天王星，海王星有强大的内部热源，能够驱动太阳系中最强烈风暴的产生以及最转瞬即逝的大气涡旋以及云的特征。如果我们持续观测海王星，它的表面总是随着这些云的改变而变化。” 1989年，旅行者2号飞掠海王星之后，科学家们在这颗行星的南极发现了一个明亮、炽热的漩涡 – 风暴。由于那里的温度比大气中其他任何地方都要高，因此该区域可能与某种独特的化学物质有关。韦伯太阳望远镜的高灵敏度将使科学家们得以了解极地涡旋不寻常的化学环境。 仅仅是个开始 利•弗莱彻建议，要做好观测天王星和海王星上的现象的准备，这些现象与我们过去所看到的完全不同。他表示：“韦伯太空望远镜确有能力从全新的视野来观测这两颗冰巨星。但若想了解塑造它们的持续的大气过程，我们所需要的远非若干样本而已。因此，我们将木星、土星、天王星和海王星进行比较，并通过比较建立关于大气运行的一个更广泛的总体图景。这是了解这些行星如何随时间演化的开始。” 海默补充道：“据我们目前所知有数百颗围绕着其他恒星运行的系外行星（exoplanets），它们和太阳系中的冰巨星大小相似。天王星和海王星为我们研究这些新发现的系外行星提供了基本依据。” 2018年哈勃空间望远镜拍摄到的海王星，在海王星上有一个新的黑暗风暴（顶部中间） 版权：NASA、ESA和A. Simon (NASA戈达德太空飞行中心，NASA Goddard Space Flight Center)，M. Wong和A. Hsu（加州大学伯克利分校，University of California, Berkeley） 詹姆斯•韦伯太空望远镜将于2021年发射，届时它将成为世界上首屈一指的空间科学观测站。韦伯太空望远镜将解开太阳系的奥秘，远眺其他恒星周围的遥远世界，探索宇宙的神秘结构及起源，以及我们在其中的位置。韦伯太空望远镜任务是一个由NASA及其合作伙伴ESA和加拿大航天局领导（Canadian Space Agency）领导的国际项目。 关于韦伯太空望远镜的更多信息，请访问www.nasa.gov/webb。 来源： https://www.nasa.gov/feature/goddard/2020/examining-ice-giants-with-nasa-s-webb-telescope