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韋伯太空望遠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，木星也是千變萬化的，關于這顆行星，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-韋伯太空望遠鏡正在揭開其中的一些謎團，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，風速為每小時 320 英里。這張木星圖像來自美國宇航局詹姆斯-韋伯太空望遠鏡的近紅外相機（NIRCam），以紅外光顯示了這顆宏偉行星的驚人細節。在這張圖片中，亮度表示高度。無數明亮的白色"斑點"和"條紋"很可能是高空對流風暴凝結的云頂。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（加州大學伯克利分校）、Thierry Fouchet（巴黎天文臺）、Leigh Fletcher（萊斯特大學）、Michael H. Wong（加州大學伯克利分校）、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-韋伯太空望遠鏡的近紅外相機（NIRCam）發現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，研究人員發現了幾處風切變，即風速隨高度或距離變化的區域，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特征，在木星自轉一圈（10 小時）之間，這些特征非常明顯地受到噴流運動的干擾。資料來源：NASA、ESA、CSA、STScI、Ricardo Hueso（UPV）、Imke de Pater（加州大學伯克利分校）、Thierry Fouchet（巴黎天文臺）、Leigh Fletcher（萊斯特大學）、Michael H. Wong（加州大學伯克利分校）、Joseph DePasquale（STScI）

韋伯太空望遠鏡發現木星大氣層的新特征

美國宇航局的詹姆斯-韋伯太空望遠鏡在木星大氣層中發現了一個前所未見的新特征。這股高速噴流寬達 3,000 多英里（4,800 公里），位于木星赤道上空的主云層之上。這一噴流的發現讓人們了解到木星著名的動蕩大氣層各層之間是如何相互作用的，以及韋伯望遠鏡是如何獨一無二地跟蹤這些特征的。

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

韋伯獨特的成像能力

研究小組分析了韋伯的近紅外相機（NIRCam）在2022年7月拍攝的數據。由加州大學伯克利分校的Imke de Pater和巴黎天文臺的Thierry Fouchet共同領導的"早期發布科學計劃"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到木星大氣層不同高度的微小特征變化，拍攝時間間隔為10小時，即一個木星日。

木星的大氣層是分層的，這幅插圖展示了韋伯望遠鏡是如何獨一無二地從比以前更高的大氣層收集信息的。科學家們能夠利用韋伯望遠鏡確定木星大氣層不同層的風速，從而分離出高速噴流。對木星的觀測是在三個不同的濾光片下進行的，相隔 10 個小時，也就是一個木星日，每個濾光片都能探測到木星大氣層不同高度的細小特征變化。資料來源：NASA、ESA、CSA、STScI、Ricardo Hueso（UPV）、Imke de Pater（加州大學伯克利分校）、Thierry Fouchet（巴黎天文臺）、Leigh Fletcher（萊斯特大學）、Michael H. Wong（加州大學伯克利分校）、Andi James（STScI）

德-帕特指出："盡管各種地面望遠鏡、美國宇航局的朱諾號和卡西尼號等航天器以及美國宇航局的哈勃太空望遠鏡已經觀測到了木星系統不斷變化的天氣模式，但韋伯望遠鏡已經提供了有關木星環、衛星及其大氣層的新發現。"

對比鮮明的大氣層

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

另一方面，韋伯望遠鏡的近紅外波段比以前更遠，它對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，赤道區域的亮度增強。通過韋伯望遠鏡，在明亮的朦朧波段內可以分辨出更精細的細節。

這幅關于木星大氣層中閃電、對流塔（雷頭）、深水云和空地的插圖是根據朱諾號太空船、哈勃太空望遠鏡和雙子座天文臺收集的數據繪制的。朱諾探測閃電放電產生的無線電信號。由于無線電波可以穿過木星的所有云層，朱諾號能夠探測到云層深處的閃電以及木星日面的閃電。哈勃能探測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的相對高度。雙子座號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。綜合觀測結果可繪制三維云層結構圖，并推斷大氣環流的細節。在潮濕空氣上升（上升流和活躍對流）的地方會形成厚厚的高聳云層。較干燥的空氣下沉（下沉）時，就會形成晴空。圖中的云層比地球相對較淺大氣層中的類似對流塔高五倍。圖示區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（加州大學伯克利分校）、A. James 和 M.W. Carruthers（STScI）

新發現的噴流時速約為 320 英里（515 公里），是地球上 5 級颶風持續風速的兩倍。它位于木星下平流層云層上方約 25 英里（40 公里）處（見上圖）。

通過比較韋伯觀測到的高空風和哈勃觀測到的深層風，研究小組可以測量出風隨高度變化的速度和產生風切變的速度。

雖然韋伯望遠鏡精湛的分辨率和波長覆蓋范圍使其能夠探測到用于跟蹤噴流的小型云層特征，但在韋伯望遠鏡觀測一天后，哈勃望遠鏡進行的補充觀測對于確定木星赤道大氣層的基本狀態以及觀測木星赤道上與噴流無關的對流風暴的發展情況也至關重要。

加州大學伯克利分校的邁克爾-王（Michael Wong）補充說："我們知道韋伯和哈勃的不同波長將揭示風暴云的三維結構，但我們也能夠利用數據的時間性來觀察風暴發展的速度，"他領導了相關的哈勃觀測。

未來的觀測和影響

研究人員期待用韋伯望遠鏡對木星進行更多的觀測，以確定噴流的速度和高度是否會隨著時間的推移而發生變化。

研究小組成員、英國萊斯特大學的利-弗萊徹（Leigh Fletcher）解釋說："木星赤道平流層的風和溫度模式復雜，但可重復。如果這種新噴流的強度與平流層的振蕩模式有關，我們可能會預計噴流在未來 2 到 4 年內會有很大變化--在未來幾年檢驗這一理論將非常令人興奮。"

弗萊徹繼續說："讓我感到驚奇的是，在眾多天文臺對木星的云層和風進行了多年跟蹤之后，我們仍然有更多關于木星的知識需要了解，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表在《自然-天文學》上。

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