韋伯太空望遠(yuǎn)鏡揭示木星大氣層新特征 - "完全出乎我們的意料"

2023-10-20 16:58:16 來源：cnBeta

木星擁有太陽系中一些最明顯的大氣特征。木星上的大紅斑大得足以把地球包圍起來，它的知名度幾乎不亞于我們稱之為家的地球上的一些河流和山脈。然而，和地球一樣，木星也是千變?nèi)f化的，關(guān)于這顆行星，我們還有很多東西有待了解。美國國家航空航天局的詹姆斯-韋伯太空望遠(yuǎn)鏡正在揭開其中的一些謎團(tuán)，揭示出我們從未見過的木星新特征，包括在木星赤道上空飛馳的高速噴流。

(資料圖片僅供參考)

木星赤道附近的狹窄噴流，風(fēng)速為每小時(shí) 320 英里。這張木星圖像來自美國宇航局詹姆斯-韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的近紅外相機(jī)（NIRCam），以紅外光顯示了這顆宏偉行星的驚人細(xì)節(jié)。在這張圖片中，亮度表示高度。無數(shù)明亮的白色"斑點(diǎn)"和"條紋"很可能是高空對(duì)流風(fēng)暴凝結(jié)的云頂。極光在本圖中顯示為紅色，延伸至地球南北兩極的高空。相比之下，赤道以北的深色帶狀區(qū)域幾乎沒有云層覆蓋。資料來源：NASA、ESA、CSA、STScI、Ricardo Hueso（UPV）、Imke de Pater（加州大學(xué)伯克利分校）、Thierry Fouchet（巴黎天文臺(tái)）、Leigh Fletcher（萊斯特大學(xué)）、Michael H. Wong（加州大學(xué)伯克利分校）、Joseph DePasquale（STScI）

雖然噴射流不像木星的其他一些特征那樣直觀或令人驚嘆，但它讓研究人員對(duì)木星大氣層各層之間如何相互作用有了令人難以置信的了解，以及韋伯望遠(yuǎn)鏡在未來將如何幫助這些研究。

研究人員利用美國宇航局詹姆斯-韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的近紅外相機(jī)（NIRCam）發(fā)現(xiàn)了木星赤道上空的高速噴流，位于主要云層之上。在木星云層上方約 12-21 英里（20-35 公里）的 2.12 微米波長處，研究人員發(fā)現(xiàn)了幾處風(fēng)切變，即風(fēng)速隨高度或距離變化的區(qū)域，這使他們能夠跟蹤噴流。這張圖片突出顯示了木星赤道周圍的幾個(gè)特征，在木星自轉(zhuǎn)一圈（10 小時(shí)）之間，這些特征非常明顯地受到噴流運(yùn)動(dòng)的干擾。資料來源：NASA、ESA、CSA、STScI、Ricardo Hueso（UPV）、Imke de Pater（加州大學(xué)伯克利分校）、Thierry Fouchet（巴黎天文臺(tái)）、Leigh Fletcher（萊斯特大學(xué)）、Michael H. Wong（加州大學(xué)伯克利分校）、Joseph DePasquale（STScI）

韋伯太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)木星大氣層的新特征

美國宇航局的詹姆斯-韋伯太空望遠(yuǎn)鏡在木星大氣層中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)前所未見的新特征。這股高速噴流寬達(dá) 3,000 多英里（4,800 公里），位于木星赤道上空的主云層之上。這一噴流的發(fā)現(xiàn)讓人們了解到木星著名的動(dòng)蕩大氣層各層之間是如何相互作用的，以及韋伯望遠(yuǎn)鏡是如何獨(dú)一無二地跟蹤這些特征的。

西班牙畢爾巴鄂巴斯克大學(xué)的里卡多-胡索（Ricardo Hueso）是描述這一發(fā)現(xiàn)的論文的第一作者。"我們一直認(rèn)為木星大氣層中的霧氣是模糊的，現(xiàn)在看來是清晰的特征，我們可以隨著木星的快速旋轉(zhuǎn)進(jìn)行追蹤。"

韋伯獨(dú)特的成像能力

研究小組分析了韋伯的近紅外相機(jī)（NIRCam）在2022年7月拍攝的數(shù)據(jù)。由加州大學(xué)伯克利分校的Imke de Pater和巴黎天文臺(tái)的Thierry Fouchet共同領(lǐng)導(dǎo)的"早期發(fā)布科學(xué)計(jì)劃"旨在用四種不同的濾光片拍攝木星的圖像，每種濾光片都能探測(cè)到木星大氣層不同高度的微小特征變化，拍攝時(shí)間間隔為10小時(shí)，即一個(gè)木星日。

木星的大氣層是分層的，這幅插圖展示了韋伯望遠(yuǎn)鏡是如何獨(dú)一無二地從比以前更高的大氣層收集信息的。科學(xué)家們能夠利用韋伯望遠(yuǎn)鏡確定木星大氣層不同層的風(fēng)速，從而分離出高速噴流。對(duì)木星的觀測(cè)是在三個(gè)不同的濾光片下進(jìn)行的，相隔 10 個(gè)小時(shí)，也就是一個(gè)木星日，每個(gè)濾光片都能探測(cè)到木星大氣層不同高度的細(xì)小特征變化。資料來源：NASA、ESA、CSA、STScI、Ricardo Hueso（UPV）、Imke de Pater（加州大學(xué)伯克利分校）、Thierry Fouchet（巴黎天文臺(tái)）、Leigh Fletcher（萊斯特大學(xué)）、Michael H. Wong（加州大學(xué)伯克利分校）、Andi James（STScI）

德-帕特指出："盡管各種地面望遠(yuǎn)鏡、美國宇航局的朱諾號(hào)和卡西尼號(hào)等航天器以及美國宇航局的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)觀測(cè)到了木星系統(tǒng)不斷變化的天氣模式，但韋伯望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)提供了有關(guān)木星環(huán)、衛(wèi)星及其大氣層的新發(fā)現(xiàn)。"

對(duì)比鮮明的大氣層

雖然木星在很多方面都與地球不同--木星是一顆氣態(tài)巨行星，而地球則是一個(gè)溫帶巖石世界--但兩顆行星的大氣層都是分層的。這些其他任務(wù)觀測(cè)到的紅外線、可見光、無線電和紫外線波長探測(cè)到了木星大氣層的較低層和較深層--巨大的風(fēng)暴和氨冰云就在那里。

另一方面，韋伯望遠(yuǎn)鏡的近紅外波段比以前更遠(yuǎn)，它對(duì)大氣的高空層很敏感，大約在木星云頂上方 15-30 英里（25-50 公里）處。在近紅外成像中，高空云霧通常顯得模糊不清，赤道區(qū)域的亮度增強(qiáng)。通過韋伯望遠(yuǎn)鏡，在明亮的朦朧波段內(nèi)可以分辨出更精細(xì)的細(xì)節(jié)。

這幅關(guān)于木星大氣層中閃電、對(duì)流塔（雷頭）、深水云和空地的插圖是根據(jù)朱諾號(hào)太空船、哈勃太空望遠(yuǎn)鏡和雙子座天文臺(tái)收集的數(shù)據(jù)繪制的。朱諾探測(cè)閃電放電產(chǎn)生的無線電信號(hào)。由于無線電波可以穿過木星的所有云層，朱諾號(hào)能夠探測(cè)到云層深處的閃電以及木星日面的閃電。哈勃能探測(cè)到木星大氣層中云層反射的陽光。不同波長的陽光可以穿透云層的不同深度，從而使研究人員能夠確定云頂?shù)南鄬?duì)高度。雙子座號(hào)繪制了冷云的厚度圖，這些冷云阻擋了來自云層下方較暖大氣層的熱紅外光。厚厚的云層在紅外地圖上看起來很暗，而晴朗的云層則看起來很亮。綜合觀測(cè)結(jié)果可繪制三維云層結(jié)構(gòu)圖，并推斷大氣環(huán)流的細(xì)節(jié)。在潮濕空氣上升（上升流和活躍對(duì)流）的地方會(huì)形成厚厚的高聳云層。較干燥的空氣下沉（下沉）時(shí)，就會(huì)形成晴空。圖中的云層比地球相對(duì)較淺大氣層中的類似對(duì)流塔高五倍。圖示區(qū)域的水平跨度是美國大陸的三分之一。資料來源：NASA、ESA、M.H. Wong（加州大學(xué)伯克利分校）、A. James 和 M.W. Carruthers（STScI）

新發(fā)現(xiàn)的噴流時(shí)速約為 320 英里（515 公里），是地球上 5 級(jí)颶風(fēng)持續(xù)風(fēng)速的兩倍。它位于木星下平流層云層上方約 25 英里（40 公里）處（見上圖）。

通過比較韋伯觀測(cè)到的高空風(fēng)和哈勃觀測(cè)到的深層風(fēng)，研究小組可以測(cè)量出風(fēng)隨高度變化的速度和產(chǎn)生風(fēng)切變的速度。

雖然韋伯望遠(yuǎn)鏡精湛的分辨率和波長覆蓋范圍使其能夠探測(cè)到用于跟蹤噴流的小型云層特征，但在韋伯望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)一天后，哈勃望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行的補(bǔ)充觀測(cè)對(duì)于確定木星赤道大氣層的基本狀態(tài)以及觀測(cè)木星赤道上與噴流無關(guān)的對(duì)流風(fēng)暴的發(fā)展情況也至關(guān)重要。

加州大學(xué)伯克利分校的邁克爾-王（Michael Wong）補(bǔ)充說："我們知道韋伯和哈勃的不同波長將揭示風(fēng)暴云的三維結(jié)構(gòu)，但我們也能夠利用數(shù)據(jù)的時(shí)間性來觀察風(fēng)暴發(fā)展的速度，"他領(lǐng)導(dǎo)了相關(guān)的哈勃觀測(cè)。

未來的觀測(cè)和影響

研究人員期待用韋伯望遠(yuǎn)鏡對(duì)木星進(jìn)行更多的觀測(cè)，以確定噴流的速度和高度是否會(huì)隨著時(shí)間的推移而發(fā)生變化。

研究小組成員、英國萊斯特大學(xué)的利-弗萊徹（Leigh Fletcher）解釋說："木星赤道平流層的風(fēng)和溫度模式復(fù)雜，但可重復(fù)。如果這種新噴流的強(qiáng)度與平流層的振蕩模式有關(guān)，我們可能會(huì)預(yù)計(jì)噴流在未來 2 到 4 年內(nèi)會(huì)有很大變化--在未來幾年檢驗(yàn)這一理論將非常令人興奮。"

弗萊徹繼續(xù)說："讓我感到驚奇的是，在眾多天文臺(tái)對(duì)木星的云層和風(fēng)進(jìn)行了多年跟蹤之后，我們?nèi)匀挥懈嚓P(guān)于木星的知識(shí)需要了解，而像這種噴流這樣的特征在 2022 年拍攝這些新的 NIRCam 圖像之前一直都是隱藏的。"

研究人員的研究成果最近發(fā)表在《自然-天文學(xué)》上。

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