韦伯太空望远镜

韦伯空间望远镜全尺寸模型，2010年5月30日拍摄于纽约炮台公园。 CREDIT: NASA and STScI 如果地球是一颗围绕行遥远恒星的系外行星，那么我们该如何了解其大气成分？ 詹姆斯韦伯空间望远镜拥有测量数千种微弱红光到红外光（0.6到28.3微米；1微米=1m的一百万分之一）的能力，能够检测到水蒸气、二氧化碳、氧气、甲烷、以及地球大气层中其他分子的特征。 免责声明 首先，让我们明确一点：韦伯并不会观测地球。地球非常温暖，因此它会发出大量红外线，正是韦伯探测的波段。从160万公里外观测，地球的红外能量太高，会烧毁韦伯的探测器。更糟糕的是，由于韦伯绕轨道运行的方式，如果它要观测地球，它也必须直视太阳，这也会直接摧毁韦伯。 韦伯将观测到太阳系中更遥远的行星以及系外行星。其中一些系外行星可能与地球非常相似。 韦伯将一直背靠太阳和地球，看向远方。 CREDIT: NASA and STScI 我们为什么在意韦伯眼中的地球？ 尽管韦伯不会研究地球，但这样的设想很有意义。因为地球是我们进行比较的标准：我们对其他行星的了解要基于我们近距离对地球的研究。 我们知道火星上流淌的河流，因为火星上有山谷看起来跟地球上的一样。我们知道月球被岩石撞击，因为月球表面的坑看上去像撞击地球的陨石坑。我们发现金星的大气层主要有二氧化碳，这是根据对地球大气的观测和实验，通过实验我们了解了含有二氧化碳的大气“看起来”是什么样。当韦伯观测到可能具有类似地球大气的系外行星时，我们可以利用关于地球和其他行星大气的知识来解释这些观测结果。 地球的合成图像，来源于Suomi NPP卫星2012年1月的观测。 CREDIT: NASA/NOAA/GSFC/Suomi NPP/VIIRS/Norman Kuring 当我们问地球大气“看起来”什么样，是什么意思？ 实际上这是在讨论地球的透射光谱。从卫星上看地球，我们很容易就能看到云、尘埃、烟雾等等，它们是由反射太阳光的小颗粒组成的。大气中的气体基本上是人眼看不见的，但是因为对阳光的散射，如果我们观测地球地面与太空边界的可见光波段，就能辨认出一层薄薄的蓝色。 国际空间站2019年5月在太平洋上空黎明时看到的地球边缘。我们能看见这层光是因为气体分子会散射、吸收、折射阳光。 CREDIT: ISS Expedition 59 Crew, NASA 对于系外行星来说，它们太小太远，就算韦伯功能强大，它也无法获得如此详细的图像。而且韦伯的观测范围是红光到红外光，并非可见光。即使它近距离观测地球，看到的也是地球在这些波段下的样子。 不过，当地球凌日时，韦伯能够探测到穿过地球大气层的阳光并精确地测出每个波长的强度。这些数据可以绘制成地球的透射光谱。 当行星经过恒星前方，望远镜会收集穿过行星大气层的星光。韦伯将测量光谱中每个波长的强度。 CREDIT: STScI 韦伯眼里的地球透射光谱是什么样？ 下图代表了经过地球大气层过滤的太阳光光谱的样子。横轴是波长，对应光的颜色，纵轴是光的强度。值得注意的是，强度从上到下增加，即波峰代表强度弱。 类地系外行星的红色至中红外（0.6-28微米）的透射光谱。 CREDIT: Model data from T. Robinson, NAU 透射光谱可以帮助我们了解行星大气层的组成。 尽管人眼看不见构成地球大气层的气体，但大气层并不是完全透明的。在微观尺度上，许多波长的光都被大大小小的尘埃颗粒或原子分子阻挡。透射光谱显示了每个波长的光具体被阻挡了多少。 更重要的是，通过透射光谱我们可以确定哪些气体阻挡了光，从而确定大气的构成。从实验中，我们知道不同类型的原子和分子吸收某些特定波长的光。每种气体对应着独特的吸收光谱，可以作为识别它的“特征”或“指纹”。而大气的透射光谱基本上是各种吸收光谱的叠加。通过识别分析这些特征，便可以推断出构成大气的气体以及其相对丰度。 峰值展示了被吸收的波段，对应着大气中各种气体的证据。 CREDIT:Model data from T. Robinson, NAU 透射光谱揭示了地球大气中存在水蒸气、二氧化碳、氧气、臭氧、甲烷、还有许多其他分子。虽然韦伯无法直接探测到地球上的生命，但它表明地球大气中含有水、二氧化碳、氧气、臭氧等这些能使我们所认知的生命存在的基本成分。 当然，我们对地球大气已经非常了解了，用不着用太空望远镜的透射光谱来分析。但是如果研究遥远的系外行星，透射光谱将是我们分析行星大气的主要方法，这也是我们确定系外行星大气是否可能有利于生命的主要方法。 如果我们通过模型了解韦伯眼里的地球透射光谱是什么样，这将有利于以后的比较。我们对大气层与地球相似的行星特别感兴趣，这些类地行星可能是可居住甚至有“人”居住的。韦伯以及未来的太空望远镜会找到更多监拥有与地球相似的大气层的行星。我们是孤独存在的么？也许将来，这个问题会有答案。

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