哈勃望遠鏡在太陽系中所見｜哈勃太空影像展

哈勃望遠鏡剛剛度過它30周年的紀念日，30年間它持之以恆地注視著深邃的宇宙，拍攝下光年之外的星系、星雲的影像。但即使它不是為另外的任務設計的，你知道哈勃其實也在關注著一些更靠近家門口——就在太陽系內——的一些物體嗎？而且恰恰因為它這樣做了，讓我們能夠及時高效地觀察這些星球和周圍的空間，否則在我們準備專項任務時就可能錯過一些現象。我是阿萊克斯科爾根(Alex McColgan)，你正在看的是Astrum欄目，在這一期哈勃太空影像展中，我們會再一次探索一些由哈勃望遠鏡觀測到的，在太陽系中發生的壯觀景象。

圖：哈勃望遠鏡（來源：Youtube，下面的圖源大多來自哈勃望遠鏡）

（此欄目之前已經介紹過54項發現）第55項，「海馬」星（海衛十四）。海王星和天王星，這兩個被冰霜覆蓋的遠日行星好像被全世界的宇航機構遺忘了，只在1989年旅行者2號探測器有過一次近距離飛越。這意味著我們對於這兩個巨大的行星仍然知之甚少。如果不是哈勃望遠鏡偶爾觀察一下，我們甚至會對它們更加陌生。關於海王星，哈勃的重大發現之一就是在2013年發現了一顆新的衛星，被命名為「海馬」(Hippocamp)。哈勃發現過許多衛星，尤其是木星和土星的衛星，但海衛十四的特殊之處在於它可能是海衛八這顆較大衛星的一個碎片。

的確，直徑400千米的海衛八經歷過一個動蕩的時期，表面有一些直徑達50-100千米的撞擊坑。很可能其中的一次撞擊導致海衛八的一部分破碎開來，產生的碎片進入了繞海王星的軌道。因為海衛十四的形狀不規則，直徑大約35千米，它的軌道也靠近更大的海衛八，因而推測海衛十四很可能是其中最大的碎片。

圖：海衛十四（所圈出的）

圖：海王星的衛星（圈出的是海衛十四，圖中未顯示完全的最外側的軌道是海衛一的軌道）

說到這裡，我們來看看第56項，因為就是關於海王星本身的。像我之前提到的，哈勃本來不是為了觀測太陽系而設計的，但在2015年，相關專家決定讓哈勃花更多的時間用於觀測遠日行星上，大約是每年觀測一次。這代表我們可以更好地觀察這些行星大氣層每年的變化。一個顯著的變化是跨越數千公裡的巨型風暴。在1989年，旅行者2號飛越海王星時觀測到了一次這種風暴，類似於木星的「大紅斑」，所以之後我們把它稱為「大暗斑」。然而，和「大紅斑」不同的是，海王星的「大暗斑」從那以後就消失了。之後有其它的風暴產生又消失。

觀測到的一次發生在2015年，它持續了幾年，但之後也消失了。雖然現在還沒有足夠的數據來推斷這些渦旋是怎麼形成的，一種設想是海王星像木星一樣大氣層也由帶狀區域構成，雖然可能和木星上的不太一樣，數量也沒有木星上那麼多，但帶狀雲還是有不同的流速，這就可能導致在交界處有渦旋產生。一旦風暴形成開始移動，它可以沿著行星表面流動，甚至在帶狀區域之間移動。但它一旦離開了能量的來源區，它就會開始慢慢消亡，這就是我們所觀測到的現象。有趣的是，哈勃望遠鏡是唯一能夠觀測到這些變化的，因為對於大多數的觀測波長而言，都難以觀測到這些變化，而哈勃可以在紫外波段觀測天王星和海王星。

圖：海王星的「大暗斑」

圖：VLT望遠鏡（甚大望遠鏡）圖像解析度更高，但哈勃望遠鏡圖像保留了更多的細節（像大氣層的帶狀區域和風暴）

第57項，2007 OR10（共工星）。如果你之前沒聽說過這個天體也沒關係，它是太陽系裡第三大的矮行星，僅此於冥王星和鬩神星。而且和它們一樣，這顆矮行星也是在數十億千米之外的柯伊伯帶中被找到的。雖然發現它的不是哈勃，但是哈勃首先發現它有一顆衛星，最初發現共工星的觀察者沒有發現這顆衛星因為它在照片中實在太暗了，但是之後一個研究小組懷疑它有一顆衛星，因為共工星自轉緩慢，大約45小時一個周期。大多數柯伊伯帶的天體自轉周期都小於24小時。

所以科學家假設可能有衛星的引力讓它的自轉周期減慢了。在搜索了哈勃的資料庫之後，這種假設被證明是正確的。這次發現意味著所有柯伊伯帶的矮行星都有它們自己的衛星。這可能是因為在柯伊伯帶中的天體運動都非常緩慢，如果天體間發生了碰撞，產生的碎片會進入繞天體本身的軌道，而不是逃逸出天體的引力場。這可能也解釋了為什麼小行星帶中的小行星一般沒有衛星，因為那裡的碰撞攜帶的能量更高，碎片會直接飛向宇宙空間。找到共工星的衛星意味著我們可以在現有的描述太陽系形成過程的模型中建立更好的約束關係。這的確是很有價值的信息！

圖：共工星（中央）和它的衛星（箭頭所指）

第58項，木星的極光。不是只有地球上有極光現象。雖然你偶爾能在地球上用肉眼看到極光，但其實極光在紫外波段才是最強烈的！像我之前提到的一樣，哈勃能探測到紫外波段的電磁波，意味著我們也可以仔細觀測其它行星上的極光。木星的極光是最容易發現的，木星是最大的也是最靠近我們的氣態巨行星，它的強大磁場和劇烈的輻射產生了非常強烈的極光。在2016年，朱諾號探測器在前往木星的途中給了科學家絕佳的機會來測量太陽風的強度，再由哈勃來觀察極光的變化。因此，哈勃在幾個月間幾乎每天都在觀測木星。

哈勃發現木星的極光比地球上的要強上幾百倍，輻射功率達到了100太瓦（10的12次方瓦特），而且令人驚奇的是，木星的極光永不停止。在地球上，在太陽風暴來臨時極光才會點亮地球的兩極。這說明木星上的極光不僅僅來自於太陽風。在朱諾號探測器到達木星後，它收集的數據表明木星的極光主要源於木星強烈的輻射帶中的帶電粒子，這些粒子沿著磁感線流入木星大氣層中。同時我們也發現木星的磁場會產生交流電流而不是直流電流，這也解釋了極光的輻射能，因為通過直流電流進行能量交換是不可能產生如此強大的能量的。

圖：木星極光在紫外波段和遠紫外波段的圖像對比

圖：木星極光

第59項，歐羅巴星（木衛二）。如果你之前不知道這顆星，那麼你需要知道的是木衛二是木星的一顆較大的衛星，並且是太陽系中最有可能孕育出生命的天體之一。對於它的冰層表面，我們不報希望能發現什麼，但在冰層之下是廣闊的液態水組成的海洋。木衛二是一個寒冷的世界，而且非常靠近木星，導致了強烈的潮汐活動。有理論認為，這種潮汐活動產生的能量足以讓冰下海洋保持液態。因此專家們設立了很多的考察項目來證實這種冰下海洋的存在。並且令人欣喜的是，哈勃望遠鏡對這項工作幫助非常大。

伽利略號和旅行者號探測器提供的木衛二圖像解析度更高，因為它們的飛行路線距離木衛二更近，但是它們不能從紫外波段進行觀測。而哈勃可以，哈勃因此發現了木衛二冰層表面上可能存在的海洋噴口。這種火山運動表明歐羅巴的內層是液態的，並且肯定是液態水，這也證明了理論的正確性。自從第一次發現之後，更多的噴流被探測到。哈勃的成像技術還可以被用來木衛二表面的無機鹽。大多數項目都是用紅外線來觀測星球表面，因為大多數我們感興趣的物質電磁波發射帶都是集中於紅外波段。

然而，對於氯化鈉或者是類似我們海洋富含的其它鹽類而言，則是主要在可見光波段才會顯現出來。這意味著這些木衛二表面的鹽類物質沒有被伽利略號發現。而哈勃通過可見光波段的觀測，確認了氯化鈉在木衛二表面上到處都有，很可能是來自於表層下的海洋，之後被上升流帶到了表面上並在此沉積。一處富含鹽分的海洋的激動人心之處在於這說明洋底可能有活躍的熱運動。在地球上，海底火山的熱氣噴發口附近是孕育生命的溫床，所以科學家們非常興奮想進一步研究，即使可能在幾十年之後才能夠進行海底的探測來查看具體的情況。

圖：木星和它的衛星（箭頭所指為木衛二）

圖：海水噴口示意圖

圖：木衛二表層結構和海底火山示意圖（由外至內為冰殼、液態海洋和巖石核心）

第60項，天王星。和木星和海王星很像，哈勃也在天王星表面發現了風暴，並且在天王星的磁極周圍發現了極光。天王星的極光現象並不發生在它的自轉軸上。天王星的自轉軸非常奇怪，和其他太陽系行星相比，它的自轉軸在它的側面方向。這意味著在天王星的一年中，有時它是在沿著它的軌道方向滾動。這也意味著在天王星上很難看到日食（譯者註：天王星的衛星的運行軌道一般都位於赤道上方，每42年左右天王星、衛星和太陽才能夠有機會排成一條直線）。在2006年我們才第一次有機會看到這種景象，而上一次天王星、衛星和太陽排成直線時是在1965年，在那時望遠鏡技術還不能看到衛星經過如此遙遠的天體上空。哈勃不僅看到了天衛一的投影划過天王星表面，也完整地觀測到了天王星表面的帶狀區域。海王星公轉周期長達84年，哈勃通過對春秋分點中的一部分進行觀察，我們可以看到它大氣層的季度變化。當它的一極逐漸朝向太陽時，大氣層的顏色似乎變得更亮了。這種現象的解釋是，當這一半球進入夏季時，會形成巨型雲層，而靠近秋分點時這個雲層又會消散。因為哈勃服役到現在也不過30年，所以甚至還沒能觀測完天王星一年的一半，所以關於天王星的四季我們仍然有許多需要了解的地方！

圖：海王星和它的衛星排列情況，很難出現日食（衛星由外之內分別為天衛四、天衛三、天衛二和天衛一）

圖：巨型雲層

僅僅這一期，你就看到了哈勃對於人類了解太陽系、了解宇宙是多麼的重要。而且在過去的30年中，它做的比這裡提到的還要多得多。哈勃很可能是迄今為止最重要的太空探測項目，它拓展了我們的視野，為我們提供了未來許多年研究的數據。而且好消息是哈勃很可能還會工作10到20年。我很期待詹姆斯·韋伯空間望遠鏡(James Webb Space Telescope，哈勃空間望遠鏡的繼任者)能取得多棒的觀測結果，但絕對也要感激哈勃的成就，而且我也很期待哈勃未來的發現！

作者: Alex McColgan @Astrum

FY:潔斯凱烈焰天下第一

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