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詹姆斯·韋伯太空望遠鏡觀察土星的季節變化

美國

據美國太空網（羅伯特·李）：天文學家看到了土星這個環形星球北部的夏季隨著長達7.5年的秋季的到來而變冷 。。
利用詹姆斯·韋伯太空望遠鏡(JWST)在2022年11月期間對土星的觀測，由萊斯特大學科學家領導的一個小組觀察到了這個氣體巨人的冷卻趨勢，這是由于行星大小的氣流隨著土星的漫長季節轉換而逆轉方向 。
萊斯特大學物理和天文學院教授利·弗萊徹在一份聲明中說:“以前從未有航天器探索過土星的北半球夏末和秋季，所以我們希望這只是一個起點 ?！薄皝碜訨WST的新數據的質量簡直令人驚嘆——在一組短暫的觀察中，我們能夠將卡西尼任務的遺產延續到一個全新的土星季節 ， 觀察天氣模式和大氣環流如何響應變化的陽光 。”

詹姆斯·韋伯太空望遠鏡觀察土星的季節變化


2022年11月JWST·MIRI/MRS觀測土星的蒙太奇照片 ， 需要四張照片來研究土星的北半球和環 。背景中顯示了2022年9月獲得的哈勃可見光觀測圖像，以供比較 。(圖片鳴謝:NASA、ESA、艾米·西蒙(NASA-GSFC)；圖像處理:艾麗莎·帕甘(STScI)))
天文學家使用JWST的中紅外儀器(MIRI)對土星進行了觀察，這使他們能夠在我們肉眼無法看到的紅外波長的光中觀察行星的大氣層 。MIRI讓團隊測量土星大氣的溫度 ， 并看到其中化學物質的指紋，測量它們的豐度，同時觀察土星大氣頂部——平流層——存在的攪動云 。
這顆氣態巨行星是離太陽第六遠的行星，以其引人注目的冰環而聞名，它和地球一樣經歷季節 ， 因為和我們的地球一樣 ， 它相對于太陽傾斜 。盡管土星的軸向傾角為26.7度 ， 與我們地球的23.5度相似，但它的軌道要寬得多，這意味著這個氣體巨人的四季比地球長得多 。
土星繞太陽一周需要29.4個地球年 ， 這導致季節持續大約7.5個地球年 。這些新的JWST觀測讓科學家們對那些漫長的季節以及它們開始轉變時的現象有了新的認識 。JWST的觀測補充了美國宇航局卡西尼-惠更斯(卡西尼)飛船收集的數據，該飛船在冬季和春季對這顆氣態巨行星進行了13年的觀測 。

詹姆斯·韋伯太空望遠鏡觀察土星的季節變化


詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的NIRCam儀器于2023年6月拍攝的土星及其部分衛星 。(圖片鳴謝:NASA、ESA、CSA、STScI、M. Tiscareno (SETI研究所)、m .海德曼(愛達荷大學)、M. El Moutamid(康奈爾大學)、M. Showalter (SETI研究所)、L. Fletcher(萊斯特大學)、h . Hammel(AURA)；J. DePasquale (STScI)的圖像處理
新JWST的觀測結果被編輯成一個動畫 ， 展示了氣體巨星的外觀在不同波長的光下如何變化，就像地球上樹葉變黃可以看到夏天到秋天的轉變一樣 。
在鏡頭中，行星北極的熱輻射由亮藍色表示，而黃色代表土星大氣中明亮溫暖的部分 。紫色區域可以看出溫度的差異，它代表了地球大氣中較冷較暗的部分 。這顆氣態巨行星臭名昭著的帶狀外觀在土星對流層(其大氣層的最低層)的光波長觀測中清晰可見 。
動畫還顯示了哈勃太空望遠鏡在2022年9月收集的可見光觀測結果 。這些顯示在背景中，作為JWST圖像的對比 。
在JWST的數據中還可以看到土星北極932英里(1500公里)寬的極地氣旋(NPC) 。這是由一個廣闊的溫暖氣體區域環繞，這些氣體是在土星北半球春季聚集時觀察到的，稱為北極平流層渦旋(NPSV) 。
這些溫暖的漩渦穿過這顆氣態巨行星的平流層，在土星的夏季，它們在平流層被加熱 。2025年，地球將經歷秋分——太陽位于地球赤道正上方的點(地球在9月份有自己的秋分) 。隨著秋分的臨近，NPSV將開始降溫，并將隨著北半球完全進入秋季和變暗而消失 。
這些土星大氣中的漩渦之前被卡西尼號近距離觀察到 。然而，JWST觀測這顆氣體巨星的紅外數據顯示 ， 土星平流層的溫度分布與該航天器收集的數據不同，該航天器于2017年撞上了這顆氣體巨星 。這是因為卡西尼號是在地球北部的冬季和春季進行觀測的 。

詹姆斯·韋伯太空望遠鏡觀察土星的季節變化


美國宇航局的卡西尼號飛船于2017年4月26日拍攝了這張土星北極漩渦的照片 。(圖片來源:美國宇航局/JPL加州理工學院/空間科學研究所)
JWST號和卡西尼號觀測到的土星大氣中氣體的分布也有所不同 。這是美國國家航空航天局(NASA)航天器在土星北部冬季和南部夏季進行觀測時 ， 空氣從南半球上升并穿過土星赤道的結果 。這一過程在北半球夏季/南半球冬季發生了逆轉，在此期間 ， JWST觀測到了這顆行星，導致強大的太空望遠鏡看到了從土星北部流向南部的低碳氫化合物氣體 。
土星被選為JWST早期的太陽系目標，以測試這臺價值100億美元的望遠鏡的能力，因為這顆明亮的旋轉行星對MIRI儀器的小視場提出了挑戰 。MIRI一次只能看到土星的一小部分，因為與它的一些其他目標相比，這顆行星太亮了，這些目標通常位于數十億光年之外 。
這項調查的挑戰性意味著這些土星觀測的計劃在2022年之前已經進行了大約8年 。即使進行了近十年的規劃，Fletcher說 ， 他和他的團隊還是被JWST提供的數據質量震驚了，這位萊斯特大學的教授將這項工作描述為職業生涯的亮點 。
“JWST可以看到以前任何航天器都無法看到的波長的光，產生了一個精致的數據集，激起了未來幾年的興趣，”弗萊徹說 。“對土星的這項工作只是對所有四顆巨行星的觀測計劃的第一步 ， JWST提供了我們過去從未有過的能力——如果我們可以從對一個世界的一次觀測中獲得如此多的新發現，想象一下還有什么發現在等待著我們？”
該小組的研究發表在《地球物理研究行星雜志》上 。