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宇宙飞船与地面望远镜合拍,为我们呈现惊艳的木星新照片

文章标签:木星朱诺望远镜大气宇宙飞船   文章来源:中国传统文化   发布时间:2020-05-21 15:26:16

很难想象木星上的风暴强度,这个气态巨星最明显的大气特征——大红斑,可能正在变小,但是在一百年以前,它的直径约为40,000公里(25, 000英里),是地球直径的三倍。

木星大气的另一个特征就是它巨大的雷暴云砧:从最底部至最顶部高64千米,是地球上的雷暴云砧的五倍。尽管美国航天局的朱诺号航天器正不断推进研究,但我们对土星大气仍未透彻了解。这颗星球可能有许多奇怪的物质,如液态金属氢层。

如今一组科学家正结合哈勃空间望远镜、双子座天文台和朱诺号航天器的力量,来探测土星的大气,和大气中产生的那些令人敬畏的风暴。

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“我们非常想了解木星大气层的环流机制”——加州大学伯克利分校的迈克尔·王(Michael Wong)如是说。

迈克尔·王,来自加州大学伯克利分校,是这项工作的带头人。研究队伍还包括伊姆克·德·帕特和艾米·西蒙两人。前者也在加州大学伯克利分校工作,而后者西蒙来自美国国家航空航天局“戈达德”太空飞行中心(GSFC)。

该研究小组目前正在对由“朱诺号”卫星提供的木星近景照片和由哈勃太空望远镜以及双子座天文台提供的多波段成像照片进行合成和处理。他们的研究成果发表在《天体物理学杂志:补充系列》上,论文题目为《2016-2019年木星的高分辨率紫外线/光学/红外线成像》”。

迈克尔·王在新闻稿中总结了该项目,并说:“我们非常想了解木星大气层的环流机制。”

木星的大气层处于一种持续混乱的状态,风暴的规模使得地球上的风暴相形见绌。这些风暴包括巨大的闪电,其能量是地球上闪电的三倍多。幸运的是,这些闪电就像无线电发射器一样,朱诺可以接收到他们。航天器每53天执行一次木星近天体探测飞行任务。

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朱诺号的绕木轨道因处于木星强有力的辐射带,其形状将是高度椭圆形的。当它靠近木星,可以“聆听”来自木星风暴的信号。(图源:美国宇航局/(喷气推进实验室)

在那些时期,它可以“听到”闪电,以及它们无线电信号著名的"天电(sferics)"(“无线电大气信号(radio atmospheric signals)”的缩写)和"吹哨者"。科学家使用这些信号去绘制闪电的分布图像,即使它们被木星巨大的大气层深处遮挡住了。

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哈勃望远镜和双子座正在参与这个新的联合观测项目。每一次朱诺靠近木星并且听到雷电的信号时,哈勃和双子座就会捕获这颗星球的图像。这些图像是解释和理解朱诺数据的关键。

西蒙在一份新闻稿中解释说:“朱诺的微波辐射计可以对木星产生的可穿透大气层的高频电磁波进行检定和分析,从而使得我们能够深入地研究木星大气。来自哈勃太空望远镜和双子座天文台的数据告诉了我们木星的大气厚度以及我们当前观测的大气深度。

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双子座天文台的其中一个8.1米口径望远镜,头顶是银河系。(图源:双子座天文台/由乔伊·波拉德提供的大学天文研究联合组织(AURA )图片)

该小组的方法利用了哈勃可见光图像和双子座热红外图像。图像被合并,朱诺闪电被映射到图像上。因此,科学家团队展示了雷暴是如何“与云层结构的三种方式结合在一起的:由水构成的深云,由湿空气上升流(基本上是木星的雷雨)引起的大型对流塔,以及可能由对流塔外干燥空气下降引起的晴朗区域。”

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这幅图表向我们展示了由朱诺号、哈勃空间望远镜、双子星天文台获取的对木星云层结构和大气循环的观测数据和说明。通过结合三者的数据,研究人员得以了解到闪电在湍流区(深水云所在处、湿润空气上升形成类似于地球上积雨云的对流塔)的聚集。对在木星大气中的闪电、对流塔、深水云、清朗区的底部描述是基于三者的数据,与哈勃和双子星得出的图谱细节相一致。观测方式的混合可以运用到绘制三维云图并推断大气循环的细节信息。厚厚的堆积起来的云由上升的湿润空气产生(上升的活跃对流)。清朗区因干燥空气下沉形成(沉降)。这些云比在相对薄的地球大气中的相似对流塔高出五倍。所述之处的范围比美国大陆的三分之一还大些。

图源:美国宇航局,欧航局,M.H. Wong( 加州大学伯克利分校),A·詹姆斯,M·H·卡拉瑟斯(空间望远镜研究所),S·布朗(喷气推进实验室)

哈勃的数据显示了对流塔中厚云层的高度以及深水云层的深度。双子座的数据清楚地展示了高层云的间隙,在那里可以瞥见深水云。

在新闻发布会上,wong教授解释了研究小组的一些发现。他说在木星的大气层中有一种区域叫做折叠的丝状区域。那是湿对流发生的地方,也是闪电常见的地方。“这些气旋涡旋可能是有助于通过对流释放内能的内能烟囱,”他说,“这种情况并非在所有地方都会发生,但这些气旋似乎起到了促进对流的作用。”

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一幅由朱诺号获取的木星折叠纤维区图像,显示了木星北半球大气的激烈扰动。图片来源: Image data: NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS

该图由Kevin M. Gill, © CC BY处理。 木星是太阳系最大的行星,对其所知愈多也使得我们对太阳系了解更多。通过将闪电和深层含水云相联系,研究人员可以更好地估测出木星大气中的含水量,这点很重要,因为它在关于木星的形成过程上给了我们线索。不仅仅是木星,其他的巨型气态行星甚至太阳系的形成线索也可见一斑。

尽管科学家们夜以继日地研究木星,未知之处仍甚多,首先应该就是木星深层大气的含水量。对于其内部的热流塑造大气的颜色和形状的确切原因,我们也尚未知晓。通过这份努力,人们对木星大气的构造方式和运动方式有了新的理解。

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木星很可能是在太阳系外形成的,然后迁移到更靠近太阳的位置,最后到达当前轨道。木星的南极,拍摄于2017年12月16日朱诺飞越期间。图片来源:NASA / JPL-Caltech / SwRI / MSSS / David Marriott

木星最引人注目的特征是“大红点”(GRS),这是自1830年以来人们一直在关注的令人困惑的形状。

由于木星受到哈勃望远镜和双子座的关注,科学家们正在研究GRS的短期变化。天文学家反复在天文望远镜中观察GRS内部的暗色特征。这项观测计划为天文学家提供了一个机会,可以更密切地观察这些特征。

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上图中的木星大红斑是通过哈勃空间望远镜和双子星天文台的数据于2018年4月1日制作的。通过结合几乎同时于两者捕捉到的观测数据,天文学家们得以确定那些在大红斑上的深色部位是云层中的洞而不是暗物质。

图像来源:NASA, ESA, and M.H. Wong (UC Berkeley) and team.

事实证明,那些在可见光中出现的特征与在红外线中的正好相反:它们是明亮的斑点。这意味着它们实际上是云层上的洞。来自木星深层的热量通过云层中的洞散发出来,这在双子座的红外图像中很容易看到。“这有点像南瓜灯,”王说。 “你可以看到来自无云区域的明亮的红外线,但有云的地方,在红外线下是非常黑暗的。”这项研究概述了木星大气的其他特点如何发挥其作用,特别是不同化学物质如何在大气中循环,风向变化以及不同大小的旋风的性质。作者强调,哈勃、双子座和朱诺号的联合观测能力能有效解开一些木星的秘密。

西蒙解释说: “因为我们现在经常通过几个不同的天文台和不同的波长获得这些高分辨率的图像,我们对木星的天气有了更多的了解。这相当于一颗气象卫星。我们终于可以开始研究天气周期了。”

对于王和团队收集的数据,还有更多的科学研究需要做。 现在还没有办法预料到它可能带来的所有发现。卡西尼探测任务的数据仍然引导着关于土星及其卫星的新发现,而朱诺探测任务结束后也同样可能会有发现。这项研究背后的团队正在使他们所有的数据可访问,以便其他人可以在自己的工作中访问数据。

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“重要的是,我们已经设法收集了支持朱诺任务的庞大数据集。 它的应用多到我们甚至没完全预料到。 因此,我们将使其他人能够利用它进行科学研究,而不需要他们自己去研究如何处理数据。”王说。

作者:universetoday

FY:Astronomical volunteer team

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