韦布望远镜首次绘出天王星高层大气的3D画像

在太阳系的边缘，天王星（Uranus）一直以其“躺平”的自转姿态和幽蓝的色彩显得神秘而孤寂。

近日，由英国诺森比亚大学（Northumbria University）的Paola Tiranti领导的国际天文学家团队，利用詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）取得了一项突破性进展：他们首次成功绘制了天王星高层大气的垂直结构图，揭示了热量和带电粒子是如何在这颗冰巨星上空分布的。

天王星拼图（2025年1月）

图源：ESA/Webb, NASA, CSA, STScI, P. Tiranti, H. Melin, M. Zamani (ESA/Webb)

这是我们第一次以“三维”的视角，窥探这颗冰巨星不为人知的运行规律。

首次实现：从“平面”到“三维”的跨越

长期以来，我们对天王星大气的了解多停留在云层表面。而这一次，科学家们利用韦布望远镜强大的NIRSpec（近红外光谱仪），对天王星进行了长达15小时（接近一个完整的自转周期）的连续观测。

通过捕捉云层上方分子发出的微弱光芒，科学家们成功绘制出了延伸至云顶上方5000公里的大气层，即电离层。在这里，大气被电离并与行星磁场发生强烈的相互作用。

垂直结构的关键数据：

温度峰值：出现在海拔3000至4000公里之间。

离子密度峰值：集中在海拔1000公里左右。

空间差异：随着经度变化，温度和密度呈现出明显的波动，这直接指向了天王星那极其复杂的磁场几何结构。

天王星还在变冷？

韦布的数据证实了一个有趣的趋势：天王星的高层大气仍在持续变冷。

这一趋势最早可追溯到20世纪90年代初。根据最新的测量结果，其高层大气的平均温度约为 150 摄氏度（约426 开尔文 ）。虽然听起来很热，但这一数值明显低于早年地面望远镜或其他探测器记录到的数据。

“通过韦布的灵敏度，我们可以追踪能量是如何在行星大气中向上流动的，甚至能看到那‘跑偏’的磁场所产生的影响。” —— Paola Tiranti

奇特的磁场与“乱跑”的极光

天王星的磁场是太阳系中最奇特的，它不仅倾斜，而且不经过行星的球心（偏移）。这意味着它的极光不像地球那样乖乖待在两极，而是以一种极其复杂的方式“横扫”行星表面。

韦布的发现亮点：

1. 双极光带：在磁极附近探测到了两条明亮的极光带。

2. “空洞”现象：在两条极光带之间，发现了一个发射信号和离子密度显著下降的区域。这种现象在木星上也曾出现过，说明磁场线的转换控制了带电粒子的“交通路径”。

天王星不仅是太阳系的成员，更是我们理解系外行星的“标准样本”。

目前在银河系中发现的大多数系外行星都属于“冰巨星”类别。通过深度刻画天王星的垂直结构和能量平衡，科学家们能够更准确地推测那些遥远星系的巨行星是如何演化的。

https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Webb/Webb_maps_Uranus_s_mysterious_upper_atmosphere