解开宇宙奥秘的关键！回顾哈勃望远镜外行星大气观测十年成果

1989年NASA航海家二号探测器飞掠海王星，完成人类对太阳系四大外行星的首次近距离探索。1977年航海家一号与二号发射后，两艘探测器揭示木星、土星、天王星与海王星的复杂性，远超过科学家预期，显示这些行星仍有无数未解之谜等待发掘。

之后哈勃太空望远镜上线打开外行星观测新篇章，经由“外行星大气层长期观测计划”，哈勃对木星、土星、天王星和海王星的大气长期观测，深入研究大气动态与演化。观测揭示航海家未能呈现的更多细节。计划即将迎接十周年，为科学界研究行星动态与演化的重要里程碑。哈勃高分辨率形象清晰度媲美航海家近距离观测成果，涵盖从紫外线到近红外线广泛波段，为唯一长期稳定以高分辨率关注外行星大气运动与云层颜色变化的望远镜，哈勃为研究外行星的气象与气候系统运行机制提供无可取代的数据。

木星、土星、天王星与海王星的大气层深厚且无固态表面，大气湍流形成独特天气系统，包括色彩斑斓的云带和持续多年的大型风暴。此外，这些行星的季节变化长达数十年。近年詹姆斯韦伯太空望远镜以更强大红外线观测，对这些行星的大气层更深入探测，补充哈勃的观测成果，使科学家更精确关注这些行星复杂的动态气候系统。同时，这些研究也帮助我们了解太阳对太阳系行星气候的影响，并为研究其他恒星系统的类似行星提供重要参考。

自“外行星大气层长期观测计划”启动，十年间数据库持续扩展，成为科学家关注行星绕太阳运行过程大气层长期变化的重要资源，为未来行星气候与天气研究奠定坚实基础。以下是哈勃“外行星大气层长期观测计划”十年来的亮点。

木星

木星的云带形状与色彩千变万化，变幻不定。表面有剧烈天气现象，包括气旋、反气旋、风切变，以及太阳系最大的风暴“大红斑”。木星大气层深达数万公里，表面覆盖由氨冰晶构成的云层。哈勃持续观测能精准关注云层动态，测量风速、风暴与涡流，并持续监测大红斑大小、形状与行为变化。哈勃观测显示，大红斑体积持续缩小，但风速却在增加。

“外行星大气层长期观测计划”拍摄的木星形象，记录时间演化。

与地球不同，木星自转轴的倾角仅约3°，通常不会出现明显季节变化。然木星绕太阳公转时距离会有约5%变化，12年轨道周期仍可能出现些微季节效应。哈勃密切监测木星大气层，深入研究这些变化。

监测木星方面，哈勃相较地表天文台更有优势。地面望远镜无法连续观测木星完整两个自转周期（约20小时），因地球白天会中断观测，需等到晚上才能再次观测木星。哈勃高分辨率和全天候观测，为了解木星大气动态提供关键数据。

左为接近人眼可见色彩真实形象，右为波长范围扩展至可见光之外，涵盖紫外线与红外线范围，都能呈现鲜明的木星表面特征。

土星

哈勃太空望远镜9月12日最新形象显示，土星北半球颜色变化迅速明显，延续卡西尼号探测器检测到的趋势。哈勃长时间观测也发现标志性六边形风暴（航海家二号1981年首次发现）2020年一度模糊，但2021年观测再次清晰。哈勃捕捉到南半球冬季后景象，显示南极持续呈蓝色调。这些观测使研究员关注土星季节性变化，并精确识别带状区域的细微变化。精细程度是地面望远镜难以完成。

每格用不同滤镜拍摄的土星形象，每种滤镜组合均突出云层高度或成分的细微差异。

土星绕太阳公转需29年，自2018年卡西尼号任务结束后，哈勃已关注约四分之一土星年。自转轴倾斜26.7°，土星季节变化明显，每季节约七年。哈勃观测不仅解析土星环系统，还记录环几乎“消失”的现象，约每15年厚度仅约10米的环边缘会朝向地球，使环几乎消失，2025年3月会再次出现。

2018-2024年拍摄的一组土星形象，展示随土星绕太阳公转，土星环系统相对地球视角的倾斜角度如何改变。约每15年厚度仅约10米的土星环边缘会朝着地球，使环几乎消失，2025年3月会再次出现。

土星环的暗色辐射状条纹是种与环系统一起旋转的短暂特征，仅环绕两到三圈期间可见。1981年由航海家二号首次发现，卡西尼号执行任务时多次记录到这些条纹的活动。哈勃观测显示，条纹出现频率与土星季节变化有关，数量和对比度会随季节变化。

哈勃长期观测延续航海家与卡西尼研究，揭示土星环系统与大气动态更多细节，为探索土星季节性与环系统演化提供关键数据。

天王星

哈勃太空望远镜10月25日拍摄天王星形象，突显北极增亮现象。北半球进入春季后，紫外线辐射增强使极地区域更明亮。天王星自转轴几乎平躺在轨道平面，绕太阳公转需84年，导致有极端季节变化，半球之一会长达42年无法看到阳光。哈勃正在关注北极，逐渐朝向太阳，伴随风暴与甲烷冰晶云出现。哈勃长期观测为天文学家深入研究天王星的环系统与大气动态提供重要数据。

2014与2022年拍摄的天王星形象，捕捉北半球的春季。太阳紫外线辐射增加似乎使极地区域更明亮。（Source：HubbleSite）

海王星

1989年航海家二号飞掠海王星时，发现大气有个约大西洋大小的巨大黑斑，引发天文学家对是否类似木星大红斑长久现象的猜测。1994年哈勃太空望远镜观测证实，黑色风暴是短暂的，通常两至六年内形成并消散。哈勃记录到一个黑斑消散过程及另一个黑斑完整生命周期，这些风暴通常向赤道移动后消失。持续观测让天文学家关注黑斑出现与演化。近期9月7日观测，天文学家发现一个大黑斑依然在，轨迹从向赤道移动转为逆向。同时北半球有变暗现象，南极周围则出现明显的暗色细长环岛。