天文学家捕捉到海王星温度的惊人变化

该合成图显示了 2006 年至 2020 年间拍摄的海王星热图像。前三张图像(2006 年、2009 年、2018 年)是使用 ESO 超大望远镜上的 VISIR 仪器拍摄的,而 2020 年的图像是由斯巴鲁望远镜上的 COMICS 仪器拍摄的(由于大流行,VISIR 在 2020 年中后期没有运行)。 在地球逐渐降温之后,南极似乎在过去几年里变得显着变暖,如 2018 年和 2020 年图像中海王星底部的一个亮点所示。图片来源:ESO/M。 Roman, NAOJ/斯巴鲁/COMICS

一个国际天文学家团队使用地面望远镜,包括欧洲南方天文台的超大望远镜(ESO 的 VLT),在 17 年期间跟踪海王星的大气温度。 他们发现海王星的全球温度惊人地下降,随后其南极急剧变暖。

“这种变化是出乎意料的,”英国莱斯特大学博士后研究员、今天发表在《行星科学杂志》上的这项研究的主要作者迈克尔·罗曼说。 “由于我们在南部初夏期间一直在观察海王星,我们预计温度会慢慢变暖,而不是变冷。”

像地球一样,海王星绕太阳运行时也会经历四季。 然而,一个海王星季节持续大约 40 年,其中一个海王星年持续 165 个地球年。 自 2005 年以来,海王星的南半球一直处于夏季,天文学家们急切地想看看在南夏至之后温度是怎样变化的。

天文学家观察了近 100 张海王星的热红外图像,这些图像是在 17 年的时间里拍摄的,以比以往任何时候都更详细地拼凑出海王星温度的总体趋势。


观察到海王星热红外亮度的变化,这是衡量海王星大气温度的指标。 该图显示了地面望远镜拍摄的所有现有图像的海王星平流层热红外亮度随时间的相对变化。 较亮的图像被解释为较暖。 波长约为 12 µm 的相应热红外图像(上图)显示了海王星在 2006 年、2009 年、2018 年(由欧洲南方天文台的甚大望远镜 VISIR 仪器观测到)和 2020 年(由斯巴鲁的 COMICS 仪器观测到)的出现。 在过去的几年里,南极似乎已经变得非常温暖。 图片来源:Michael Roman/NASA/JPL/Voyager-ISS/Justin Cowart。

这些数据表明,尽管南方夏季开始了,但在过去的二十年里,地球的大部分地区已经逐渐变冷。 海王星的全球平均温度在 2003 年至 2018 年间下降了 8°C。

然后,天文学家惊讶地发现,在他们观测的最后两年中,海王星南极急剧变暖,当时温度在 2018 年至 2020 年间迅速上升了 11°C。尽管海王星温暖的极地涡旋已为人所知多年,但如此快速的极地涡旋地球上以前从未观察到变暖。

美国加州理工学院喷气推进实验室 (JPL) 的高级研究科学家、合著者格伦·奥顿 (Glenn Orton) 说:“我们的数据涵盖了不到一半的海王星季节,因此没有人期望看到巨大而迅速的变化。”

天文学家使用热像仪测量海王星的温度,热像仪通过测量天文物体发出的红外光来工作。 为了进行分析,该团队结合了过去二十年来由地面望远镜收集的所有现有海王星图像。 他们研究了从被称为平流层的海王星大气层发出的红外光。 这使得该团队能够在其南部夏季的一部分时间内建立海王星温度及其变化的图像。

海王星比我们想象的要凉爽:研究揭示了大气温度的意外变化
2020 年在可见光(中)和热红外波长(右)中看到的海王星。中心图像结合了哈勃太空望远镜的多张图像,而右侧的热红外图像是从莫纳克亚的斯巴鲁望远镜拍摄的,夏威夷。 在热红外线中,海王星温暖的南极比以往任何时候都更加明亮。 图片来源:Michael Roman/NASA/ESA/STSci/MH Wong/LA Sromovsky/PM Fry。

由于海王星距离我们大约 45 亿公里,而且非常寒冷,该行星的平均温度达到 –220°C 左右,因此从地球上测量其温度绝非易事。 “这种类型的研究只能通过像 VLT 这样可以清楚地观察海王星的大型望远镜获得的敏感红外图像才能进行,而这些图像只有在过去 20 年左右的时间里才可用,”合著者、教授 Leigh Fletcher 说。莱斯特大学。

拍摄的所有图像中约有三分之一来自智利阿塔卡马沙漠 ESO VLT 上的中红外 (VISIR) 仪器的 VLT 成像仪和光谱仪。 由于望远镜的镜面尺寸和高度,它具有非常高的分辨率和数据质量,可以提供最清晰的海王星图像。 该团队还使用了来自美国宇航局斯皮策太空望远镜的数据和智利的双子座南望远镜以及夏威夷的斯巴鲁望远镜、凯克望远镜和双子座北望远镜拍摄的图像。

海王星比我们想象的要凉爽:研究揭示了大气温度的意外变化
海王星的航海者 2 号视图,拍摄于 1989 年 8 月。图片来源:NASA/JPL-Caltech/Kevin M. Gill。

由于海王星的温度变化如此出乎意料,天文学家还不知道是什么原因造成的。 它们可能是由于海王星平流层化学成分的变化,或者随机的天气模式,甚至是太阳周期的变化。 未来几年将需要更多的观察来探索这些波动的原因。 未来的地面望远镜,如 ESO 的超大望远镜 (ELT) 可以更详细地观察此类温度变化,而 NASA/ESA/CSA 詹姆斯韦伯太空望远镜将提供前所未有的海王星大气化学和温度的新地图。

“我认为海王星本身对我们许多人来说非常有趣,因为我们对它仍然知之甚少,”罗曼说。 “这一切都指向了一幅更复杂的海王星大气图景,以及它怎样随时间变化。”