詹姆斯·韦伯太空望远镜观察土星的季节变化

熊明青

（）据美国太空网（罗伯特·李）：天文学家看到了土星这个环形星球北部的夏季随着长达7.5年的秋季的到来而变冷。。

利用詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)在2022年11月期间对土星的观测，由莱斯特大学科学家领导的一个小组观察到了这个气体巨人的冷却趋势，这是由于行星大小的气流随着土星的漫长季节转换而逆转方向。

莱斯特大学物理和天文学院教授利·弗莱彻在一份声明中说:“以前从未有航天器探索过土星的北半球夏末和秋季，所以我们希望这只是一个起点。”“来自JWST的新数据的质量简直令人惊叹——在一组短暂的观察中，我们能够将卡西尼任务的遗产延续到一个全新的土星季节，观察天气模式和大气环流如何响应变化的阳光。”



2022年11月JWST·MIRI/MRS观测土星的蒙太奇照片，需要四张照片来研究土星的北半球和环。背景中显示了2022年9月获得的哈勃可见光观测图像，以供比较。(图片鸣谢:NASA、ESA、艾米·西蒙(NASA-GSFC)；图像处理:艾丽莎·帕甘(STScI)))

天文学家使用JWST的中红外仪器(MIRI)对土星进行了观察，这使他们能够在我们肉眼无法看到的红外波长的光中观察行星的大气层。MIRI让团队测量土星大气的温度，并看到其中化学物质的指纹，测量它们的丰度，同时观察土星大气顶部——平流层——存在的搅动云。

这颗气态巨行星是离太阳第六远的行星，以其引人注目的冰环而闻名，它和地球一样经历季节，因为和我们的地球一样，它相对于太阳倾斜。尽管土星的轴向倾角为26.7度，与我们地球的23.5度相似，但它的轨道要宽得多，这意味着这个气体巨人的四季比地球长得多。

土星绕太阳一周需要29.4个地球年，这导致季节持续大约7.5个地球年。这些新的JWST观测让科学家们对那些漫长的季节以及它们开始转变时的现象有了新的认识。JWST的观测补充了美国宇航局卡西尼-惠更斯(卡西尼)飞船收集的数据，该飞船在冬季和春季对这颗气态巨行星进行了13年的观测。



詹姆斯·韦伯太空望远镜的NIRCam仪器于2023年6月拍摄的土星及其部分卫星。(图片鸣谢:NASA、ESA、CSA、STScI、M. Tiscareno (SETI研究所)、m .海德曼(爱达荷大学)、M. El Moutamid(康奈尔大学)、M. Showalter (SETI研究所)、L. Fletcher(莱斯特大学)、h . Hammel(AURA)；J. DePasquale (STScI)的图像处理

新JWST的观测结果被编辑成一个动画，展示了气体巨星的外观在不同波长的光下如何变化，就像地球上树叶变黄可以看到夏天到秋天的转变一样。

在镜头中，行星北极的热辐射由亮蓝色表示，而黄色代表土星大气中明亮温暖的部分。紫色区域可以看出温度的差异，它代表了地球大气中较冷较暗的部分。这颗气态巨行星臭名昭著的带状外观在土星对流层(其大气层的最低层)的光波长观测中清晰可见。

动画还显示了哈勃太空望远镜在2022年9月收集的可见光观测结果。这些显示在背景中，作为JWST图像的对比。

在JWST的数据中还可以看到土星北极932英里(1500公里)宽的极地气旋(NPC)。这是由一个广阔的温暖气体区域环绕，这些气体是在土星北半球春季聚集时观察到的，称为北极平流层涡旋(NPSV)。

这些温暖的漩涡穿过这颗气态巨行星的平流层，在土星的夏季，它们在平流层被加热。2025年，地球将经历秋分——太阳位于地球赤道正上方的点(地球在9月份有自己的秋分)。随着秋分的临近，NPSV将开始降温，并将随着北半球完全进入秋季和变暗而消失。

这些土星大气中的漩涡之前被卡西尼号近距离观察到。然而，JWST观测这颗气体巨星的红外数据显示，土星平流层的温度分布与该航天器收集的数据不同，该航天器于2017年撞上了这颗气体巨星。这是因为卡西尼号是在地球北部的冬季和春季进行观测的。



美国宇航局的卡西尼号飞船于2017年4月26日拍摄了这张土星北极漩涡的照片。(图片来源:美国宇航局/JPL加州理工学院/空间科学研究所)

JWST号和卡西尼号观测到的土星大气中气体的分布也有所不同。这是美国国家航空航天局(NASA)航天器在土星北部冬季和南部夏季进行观测时，空气从南半球上升并穿过土星赤道的结果。这一过程在北半球夏季/南半球冬季发生了逆转，在此期间，JWST观测到了这颗行星，导致强大的太空望远镜看到了从土星北部流向南部的低碳氢化合物气体。

土星被选为JWST早期的太阳系目标，以测试这台价值100亿美元的望远镜的能力，因为这颗明亮的旋转行星对MIRI仪器的小视场提出了挑战。MIRI一次只能看到土星的一小部分，因为与它的一些其他目标相比，这颗行星太亮了，这些目标通常位于数十亿光年之外。

这项调查的挑战性意味着这些土星观测的计划在2022年之前已经进行了大约8年。即使进行了近十年的规划，Fletcher说，他和他的团队还是被JWST提供的数据质量震惊了，这位莱斯特大学的教授将这项工作描述为职业生涯的亮点。

“JWST可以看到以前任何航天器都无法看到的波长的光，产生了一个精致的数据集，激起了未来几年的兴趣，”弗莱彻说。“对土星的这项工作只是对所有四颗巨行星的观测计划的第一步，JWST提供了我们过去从未有过的能力——如果我们可以从对一个世界的一次观测中获得如此多的新发现，想象一下还有什么发现在等待着我们？”

该小组的研究发表在《地球物理研究行星杂志》上。