從2014年到2024年，NASA和歐空局的哈勃太空望遠鏡一直在通過一項名為OPAL（外行星大氣遺產）的計劃對外行星進行觀測。 這項計劃的重點是跟蹤木星、土星、天王星和海王星，研究它們的大氣動力學和長期演變。 哈勃捕捉高分辨率穩(wěn)定圖像的獨特能力使科學家能夠持續(xù)監(jiān)測云層模式、風暴活動和大氣運動。 這些觀測為更好地了解這些遙遠世界復雜的天氣和氣候系統(tǒng)提供了重要數據。
這是哈勃太空望遠鏡拍攝的太陽系四大外行星的蒙太奇照片： 木星、土星、天王星和海王星，每顆行星都以增強色彩顯示。 這些圖像的拍攝歷時近 10 年，從 2014 年到 2024 年。 這樣長的基線使天文學家能夠追蹤每顆行星湍流大氣層的季節(jié)性變化，其清晰度可媲美美國宇航局 20 世紀 80 年代的行星飛越探測器。 這些圖像是在一項名為 OPAL（外行星大氣遺產）的計劃下拍攝的。 資料來源：NASA、ESA、Amy Simon（NASA-GSFC）、Michael H. Wong（加州大學伯克利分校）、Joseph DePasquale（STScI）
明亮的行星木星和土星在天際游蕩，羅馬人以它們最強大的神命名它們。 幾個世紀后，在 17 世紀和 18 世紀，人們通過望遠鏡發(fā)現了土星之外的另外兩顆行星。 它們分別以希臘天王星和羅馬海王星命名。
早期的天空觀測者永遠也不會想到，有一天機器人航天器會跋涉數十億英里去探索這些遙遠的世界。 20 世紀 80 年代，美國國家航空航天局（NASA）的旅行者號（Voyager）任務提供了令人驚嘆的特寫圖像，吸引了一代人。 但是，這些航天器只能收集行星數據的短暫快照，就像一輛旅游巴士在大陸上疾馳。
這時，哈勃太空望遠鏡出現了，接替了這一星際劉易斯和克拉克探險隊的工作。 天文學家們意識到，外行星遠比想象的要復雜得多。 關于它們動蕩、多彩、寒冷的大氣層，還有很多東西有待了解。 在旅行者計劃的基礎上，名為 OPAL（外行星大氣遺產）的哈勃計劃現在已經獲得了對木星、土星、天王星和海王星整整十年的觀測資料。 哈勃基本上被當作行星間的天氣預報員來研究其他世界的氣象學。 這為我們了解地球和銀河系中其他行星的復雜天氣行為提供了新的視角。
這是哈勃太空望遠鏡拍攝的太陽系四大外行星的蒙太奇照片： 木星、土星、天王星和海王星，每顆行星都以增強色彩顯示。 這些圖像的拍攝歷時近 10 年，從 2014 年到 2024 年。 這樣長的基線使天文學家能夠追蹤每顆行星動蕩大氣層的季節(jié)性變化，其清晰度堪比 20 世紀 80 年代 NASA 的行星飛越探測器。從左上角向中間，三張茶色天王星圖像上朦朧的白色極冠隨著天王星接近北部夏季而顯得更加正面。從右中到右遠中，三張藍色海王星圖像顯示了云層隨著太陽輻射水平的變化而來來去去。在OPAL的十年觀測中，海王星上的幾個神秘黑點依次出現和消失。黃褐色土星的七幅圖像在馬賽克中央呈三角形延伸，OPAL每年觀測一幅，顯示了環(huán)面相對于地球視角的傾斜度。 大約每隔 15 年就能看到相對較薄的星環(huán)（約一英里厚）的邊緣。 2018年，它們接近向地球的最大傾斜度。 隨著天氣的變化，土星云帶的色彩變化也會隨之變化。底部中央，三張跨越近十年的木星圖像組成了一個三角形。 木星的帶狀云層結構--區(qū)域和帶狀云層--發(fā)生了顯著變化。 OPAL 測量到傳說中的大紅斑正在縮小，同時它的自轉周期也在縮短。 資料來源：NASA、ESA、Amy Simon（NASA-GSFC）、Michael H. Wong（加州大學伯克利分校）、Joseph DePasquale（STScI）
1989 年，美國國家航空航天局的旅行者號任務在遭遇海王星時完成了人類對太陽系四大外行星的首次近距離探索。 自 1977 年發(fā)射以來，旅行者 1 號和旅行者 2 號揭示了木星、土星、天王星和海王星遠比科學家們預想的要復雜得多。 它們的發(fā)現清楚地表明，要了解的東西還很多。
為了繼續(xù)這一探索，美國國家航空航天局的哈勃太空望遠鏡啟動了OPAL（外行星大氣遺產）計劃。 OPAL對外行星進行長期觀測，研究它們的大氣動力學并跟蹤隨時間發(fā)生的變化，從而更深入地了解這些遙遠的世界是如何演變的。
位于馬里蘭州格林貝爾特的美國宇航局戈達德太空飛行中心的艾米-西蒙（Amy Simon）解釋說：旅行者號并沒有告訴你全部的情況。
哈勃望遠鏡的圖像清晰度可與旅行者號接近外行星時看到的圖像相媲美，而且哈勃望遠鏡的波長跨度從紫外線到近紅外線。 哈勃望遠鏡是唯一能提供高空間分辨率和圖像穩(wěn)定性的望遠鏡，可用于對云的顏色、活動和大氣運動進行持續(xù)的全球研究，從而幫助確定天氣和氣候系統(tǒng)的基本機制。
這是一張九幅拼貼畫，展示了哈勃在 2015 年至 2024 年 OPAL（外行星大氣遺產）計劃下拍攝的木星圖像，色彩近似真實。 OPAL 跟蹤大紅斑（GRS）以及木星帶狀云層結構隨時間發(fā)生的其他顯著變化。 資料來源：NASA、ESA、Amy Simon（NASA-GSFC）、Michael H. Wong（加州大學伯克利分校）、Joseph DePasquale（STScI）
所有四顆外行星都有深厚的大氣層，沒有固體表面。 它們洶涌澎湃的大氣層都有自己獨特的天氣系統(tǒng)，有些有五顏六色的云帶，有些有神秘的大風暴，這些風暴會突然出現或持續(xù)很多年。 在圍繞太陽公轉的過程中，每個星球都有持續(xù)多年的季節(jié)。 (詹姆斯-韋伯太空望遠鏡（James Webb Space Telescope）的紅外功能將被用來深入探測外行星的大氣層，以補充 OPAL 的觀測）。
跟蹤這些復雜的行為就好比了解地球多年來的動態(tài)天氣，以及太陽對太陽系天氣的影響。 這四個遙遠的世界也是了解環(huán)繞其他恒星運行的類似行星的天氣和氣候的替代物。
行星科學家們意識到，哈勃提供的任何一年的數據雖然本身很有趣，但并不能說明外行星的全部情況。 哈勃的OPAL計劃每年都會在行星最接近地球的時候對它們進行一次例行訪問，這種排列方式被稱為對沖。 這產生了一個巨大的數據檔案庫，與全世界的行星天文學家分享了一系列非凡的發(fā)現。
哈勃太空望遠鏡的寬視場照相機 3 (WFC3) 科學儀器上的光譜濾鏡提供了豐富的信息。 左圖是使用三個濾光片制作的 RGB 合成圖，波長與人眼看到的顏色相似。 右圖中，波長范圍從可見光范圍擴大到紫外線（UV）和紅外線范圍。 人類無法感知這些延伸的波長，但一些動物（如螳螂蝦，其眼睛的功能類似于美國宇航局某些任務中的傳感器）能夠探測到紅外線和紫外線。 結果是一個生動的圓盤，它將吸收紫外線的高空煙霧顯示為橙色（在兩極上空和三個大風暴中，包括大紅斑），將新形成的冰顯示為白色（赤道以北的緊湊風暴羽流）。 包括 OPAL 小組在內的天文學家利用這些濾光片（以及其他未在此處顯示的濾光片）來研究云層厚度、高度和化學成分的差異。 資料來源：NASA、ESA、Amy Simon（NASA-GSFC）、Michael H. Wong（加州大學伯克利分校）、Joseph DePasquale（STScI）
木星的云帶呈現出千變萬化的萬花筒形狀和色彩。 木星上總是風雨交加：氣旋、反氣旋、風切變，還有太陽系中最大的風暴--大紅斑（GRS）。 木星的大氣層深達數萬英里，上面覆蓋著大量的氨冰晶云。
哈勃的銳利圖像可以跟蹤云層，測量風、風暴和旋渦，此外還可以監(jiān)測 GRS 的大小、形狀和行為。 哈勃跟蹤 GRS 的大小不斷縮小，但仍然大到足以吞噬地球。 最近，OPAL 數據測量了平流層煙霧極罩中出現神秘暗橢圓的頻率--只有在紫外線波長下才能看到。 與地球不同，木星的軸線 度）。 木星與太陽的距離在其長達 12 年的軌道上大約有 6400 萬公里的變化，因此 OPAL 密切監(jiān)測大氣層的季節(jié)性影響。 哈勃的另一個優(yōu)勢是，地面天文臺無法連續(xù)觀測木星兩圈，因為這加起來長達 20 個小時。 在這段時間里，地面天文臺將進入白天，直到第二天傍晚才能看到木星。
OPAL的發(fā)現還可能為歐空局的木星冰月探測器Juice提供支持，該探測器于2023年4月14日發(fā)射升空。 Juice將利用一套遙感、地球物理和現場儀器對木星及其三顆大型含海洋的衛(wèi)星--木衛(wèi)三、卡利斯托和歐羅巴--進行詳細觀測。 這項任務將確定這些衛(wèi)星作為行星天體和可能的棲息地的特征，深入探索木星的復雜環(huán)境，并將更廣泛的木星系統(tǒng)作為整個宇宙中氣體巨行星的原型進行研究。
這是一組哈勃太空望遠鏡拍攝的土星圖像，拍攝時間為 2018 年至 2024 年。 這組圖像顯示了土星圍繞太陽運行時，壯麗的星環(huán)系統(tǒng)相對于地球視角的傾斜度是如何變化的。 大約每隔 15 年就能看到相對較薄的星環(huán)（約一英里厚）的邊緣。 2018 年，它們接近向地球的最大傾斜度。 這些圖像是在一項名為 OPAL（外行星大氣遺產）的哈勃計劃下拍攝的。
土星繞太陽一周需要 29 年多的時間，因此 OPAL 對土星的跟蹤時間大約為四分之一個土星年（2018 年，在卡西尼飛行任務結束后開始跟蹤）。 由于土星傾斜 26.7 度，它比木星經歷更深刻的季節(jié)變化。 土星的季節(jié)大約持續(xù)七年。 這也意味著哈勃可以從將近 30 度的斜角觀察壯觀的星環(huán)系統(tǒng)，看到傾斜的星環(huán)邊緣。 從邊緣看，星環(huán)幾乎消失了，因為它們相對薄得像紙一樣。 這種情況將在 2025 年再次發(fā)生。
一系列沃霍爾式的土星圖像描繪了多個濾鏡映射到人眼可感知的 RGB 顏色上的真實數據。 每個濾光片組合都強調了云層高度或成分的細微差別。 卡西尼號任務的紅外光譜顯示，土星的氣溶膠粒子可能比木星上的氣溶膠粒子具有更復雜的化學多樣性。 OPAL計劃通過測量云層中的微妙模式如何隨時間變化，擴展了卡西尼號的遺產。 資料來源：NASA、ESA、Amy Simon（NASA-GSFC）、Michael H. Wong（加州大學伯克利分校）、Joseph DePasquale（STScI）
OPAL 追蹤了土星大氣層顏色的變化。 土星大氣顏色的變化首先是由卡西尼軌道器探測到的，但哈勃提供了一個更長的基線。 哈勃發(fā)現顏色每年都有細微變化，可能是由云層高度和風引起的。 觀測到的變化是微妙的，因為 OPAL 只覆蓋了土星年的一小部分。 當土星進入下一個季節(jié)時，就會發(fā)生重大變化。
土星神秘的暗環(huán)輻條劃過環(huán)面，是與環(huán)一起旋轉的短暫特征。 它們鬼魅般的外觀只能圍繞土星旋轉兩到三圈。 在活躍期，新形成的輻條會不斷增加圖案。 旅行者 2 號在 1981 年首次看到了它們。 卡西尼號在 2017 年結束的長達 13 年的任務中也看到了輻條。 哈勃顯示，輻條出現的頻率受季節(jié)影響，2021 年首次出現在 OPAL 數據中。 長期監(jiān)測顯示，輻條的數量和對比度都隨土星的季節(jié)而變化。
行星怪胎天王星在 84 年的軌道上繞著太陽滾動，而不是像地球那樣以更垂直的姿勢旋轉。 天王星有一個奇怪的傾斜的水平旋轉軸，與行星軌道平面的夾角僅相差 8 度。 最近的一種理論認為，天王星曾經有一顆巨大的衛(wèi)星，它的重力使天王星不穩(wěn)定，然后撞上了天王星。 其他的可能性還包括行星形成過程中的巨大撞擊，甚至是巨行星隨著時間的推移相互產生的共振力矩。 行星傾斜的后果是，在長達 42 年的時間里，一個半球的部分地區(qū)完全沒有陽光照射。 當旅行者 2 號宇宙飛船在 20 世紀 80 年代造訪時，這顆行星的南極幾乎直指太陽。 哈勃的最新視圖顯示，北極現在正朝著太陽傾斜。 Credit: Science： NASA， ESA， STScI， Amy Simon (NASA-GSFC)， Michael H. Wong (UC Berkeley)， Image Processing： 約瑟夫-德帕斯卡爾（STScI）
天王星側向傾斜，因此其自轉軸幾乎位于行星軌道的平面上。 這導致這顆行星在繞太陽運行的 84 年中經歷了劇烈的季節(jié)變化。 行星傾斜的后果意味著一個半球的部分地區(qū)完全沒有陽光，持續(xù)時間長達 42 年。 OPAL已經跟蹤了現在向太陽傾斜的北極。
通過 OPAL，哈勃在春分之后首次對天王星進行了成像，此時太陽最后一次直射天王星赤道。 哈勃解析了夏季接近北極時在中北緯出現的多個甲烷冰晶云風暴。 天王星的北極現在有一層增厚的光化學煙霧，在邊界邊緣附近有幾個小風暴。 哈勃一直在追蹤北極帽的大小，它在逐年變亮。 隨著2028年北方夏至的臨近，北極帽可能會變得更加明亮，并將直接對準地球，從而可以很好地觀測星環(huán)和北極。 屆時，星環(huán)系統(tǒng)將以正面出現；
這張哈勃太空望遠鏡拍攝的動態(tài)藍綠行星海王星快照顯示了一個巨大的黑暗風暴（中上圖）和附近出現的一個較小的黑點（右上圖）。 這個巨大的漩渦比大西洋還要寬，在赤道大氣層的作用下，它正向南漂移，但突然調轉方向，開始向北漂移。 資料來源：NASA、ESA、STScI、M.H. Wong（加州大學伯克利分校）、L.A. Sromovsky 和 P.M. Fry（威斯康星大學麥迪遜分校）
1989 年，當旅行者 2 號飛越海王星時，天文學家對大氣層中若隱若現的一個大西洋大小的巨大黑斑感到非常神秘。 它像木星的大紅斑一樣長壽嗎？ 這個問題一直沒有答案，直到哈勃在 1994 年證明，這種暗風暴是短暫的，出現后又消失，每個暗風暴的持續(xù)時間為 2 到 6 年。 在 OPAL 計劃期間，哈勃看到了一個暗斑的結束和第二個暗斑的整個生命周期--這兩個暗斑在消散前都向赤道遷移。 OPAL 計劃確保天文學家不會再錯過另一個黑點。
哈勃觀測發(fā)現了海王星云量變化與 11 年太陽周期之間的聯系。 它所接受的陽光強度大約是地球的 0.1%。 然而，海王星的全球多云天氣似乎受到太陽活動的影響。 海王星的四季（每個季節(jié)大約持續(xù) 40 年）是否也起了作用？ 如果 OPAL 計劃繼續(xù)在哈勃望遠鏡上運行到 2179 年，我們也許就會知道了！
哈勃太空望遠鏡已經運行了三十多年，并不斷取得突破性的發(fā)現，這些發(fā)現形成了我們對宇宙的基本認識。 哈勃望遠鏡是美國國家航空航天局（NASA）和歐空局（European Space Agency）的國際合作項目。 美國宇航局位于馬里蘭州格林貝爾特的戈達德太空飛行中心負責管理望遠鏡和任務運行。 位于丹佛的洛克希德-馬丁航天公司也為戈達德的任務運行提供支持。 位于巴爾的摩的太空望遠鏡科學研究所由天文學研究大學協(xié)會運營，為美國國家航空航天局進行哈勃科學運營。
