從2014年到2024年，NASA和歐空局的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡一直在通過一項(xiàng)名為OPAL（外行星大氣遺產(chǎn)）的計(jì)劃對(duì)外行星進(jìn)行觀測(cè)。 這項(xiàng)計(jì)劃的重點(diǎn)是跟蹤木星、土星、天王星和海王星，研究它們的大氣動(dòng)力學(xué)和長期演變。 哈勃捕捉高分辨率穩(wěn)定圖像的獨(dú)特能力使科學(xué)家能夠持續(xù)監(jiān)測(cè)云層模式、風(fēng)暴活動(dòng)和大氣運(yùn)動(dòng)。 這些觀測(cè)為更好地了解這些遙遠(yuǎn)世界復(fù)雜的天氣和氣候系統(tǒng)提供了重要數(shù)據(jù)。

　　這是哈勃太空望遠(yuǎn)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(qiáng)色彩顯示。 這些圖像的拍攝歷時(shí)近 10 年，從 2014 年到 2024 年。 這樣長的基線使天文學(xué)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(jì) 80 年代的行星飛越探測(cè)器。 這些圖像是在一項(xiàng)名為 OPAL（外行星大氣遺產(chǎn)）的計(jì)劃下拍攝的。 資料來源：NASA、ESA、Amy Simon（NASA-GSFC）、Michael H. Wong（加州大學(xué)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(qiáng)大的神命名它們。 幾個(gè)世紀(jì)后，在 17 世紀(jì)和 18 世紀(jì)，人們通過望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)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(cè)者永遠(yuǎn)也不會(huì)想到，有一天機(jī)器人航天器會(huì)跋涉數(shù)十億英里去探索這些遙遠(yuǎn)的世界。 20 世紀(jì) 80 年代，美國國家航空航天局（NASA）的旅行者號(hào)（Voyager）任務(wù)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(shù)據(jù)的短暫快照，就像一輛旅游巴士在大陸上疾馳。

　　“九游娛樂會(huì)員有什么福利？”

　　這時(shí)，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡出現(xiàn)了，接替了這一星際劉易斯和克拉克探險(xiǎn)隊(duì)的工作。 天文學(xué)家們意識(shí)到，外行星遠(yuǎn)比想象的要復(fù)雜得多。 關(guān)于它們動(dòng)蕩、多彩、寒冷的大氣層，還有很多東西有待了解。 在旅行者計(jì)劃的基礎(chǔ)上，名為 OPAL（外行星大氣遺產(chǎn)）的哈勃計(jì)劃現(xiàn)在已經(jīng)獲得了對(duì)木星、土星、天王星和海王星整整十年的觀測(cè)資料。 哈勃基本上被當(dāng)作行星間的天氣預(yù)報(bào)員來研究其他世界的氣象學(xué)。 這為我們了解地球和銀河系中其他行星的復(fù)雜天氣行為提供了新的視角。

　　這是哈勃太空望遠(yuǎn)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(qiáng)色彩顯示。 這些圖像的拍攝歷時(shí)近 10 年，從 2014 年到 2024 年。 這樣長的基線使天文學(xué)家能夠追蹤每顆行星動(dòng)蕩大氣層的季節(jié)性變化，其清晰度堪比 20 世紀(jì) 80 年代 NASA 的行星飛越探測(cè)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(yuǎn)中，三張藍(lán)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(cè)中，海王星上的幾個(gè)神秘黑點(diǎn)依次出現(xiàn)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(cè)一幅，顯示了環(huán)面相對(duì)于地球視角的傾斜度。 大約每隔 15 年就能看到相對(duì)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(huì)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(gè)三角形。 木星的帶狀云層結(jié)構(gòu)--區(qū)域和帶狀云層--發(fā)生了顯著變化。 OPAL 測(cè)量到傳說中的大紅斑正在縮小，同時(shí)它的自轉(zhuǎn)周期也在縮短。 資料來源：NASA、ESA、Amy Simon（NASA-GSFC）、Michael H. Wong（加州大學(xué)伯克利分校）、Joseph DePasquale（STScI）

　　1989 年，美國國家航空航天局的旅行者號(hào)任務(wù)在遭遇海王星時(shí)完成了人類對(duì)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(hào)和旅行者 2 號(hào)揭示了木星、土星、天王星和海王星遠(yuǎn)比科學(xué)家們預(yù)想的要復(fù)雜得多。 它們的發(fā)現(xiàn)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(yuǎn)鏡啟動(dòng)了OPAL（外行星大氣遺產(chǎn)）計(jì)劃。 OPAL對(duì)外行星進(jìn)行長期觀測(cè)，研究它們的大氣動(dòng)力學(xué)并跟蹤隨時(shí)間發(fā)生的變化，從而更深入地了解這些遙遠(yuǎn)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(dá)德太空飛行中心的艾米-西蒙（Amy Simon）解釋說：旅行者號(hào)并沒有告訴你全部的情況。

　　哈勃望遠(yuǎn)鏡的圖像清晰度可與旅行者號(hào)接近外行星時(shí)看到的圖像相媲美，而且哈勃望遠(yuǎn)鏡的波長跨度從紫外線到近紅外線。 哈勃望遠(yuǎn)鏡是唯一能提供高空間分辨率和圖像穩(wěn)定性的望遠(yuǎn)鏡，可用于對(duì)云的顏色、活動(dòng)和大氣運(yùn)動(dòng)進(jìn)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(jī)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(chǎn)）計(jì)劃下拍攝的木星圖像，色彩近似真實(shí)。 OPAL 跟蹤大紅斑（GRS）以及木星帶狀云層結(jié)構(gòu)隨時(shí)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(xué)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(dú)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(fēng)暴，這些風(fēng)暴會(huì)突然出現(xiàn)或持續(xù)很多年。 在圍繞太陽公轉(zhuǎn)的過程中，每個(gè)星球都有持續(xù)多年的季節(jié)。 (詹姆斯-韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（James Webb Space Telescope）的紅外功能將被用來深入探測(cè)外行星的大氣層，以補(bǔ)充 OPAL 的觀測(cè)）。

　　跟蹤這些復(fù)雜的行為就好比了解地球多年來的動(dòng)態(tài)天氣，以及太陽對(duì)太陽系天氣的影響。 這四個(gè)遙遠(yuǎn)的世界也是了解環(huán)繞其他恒星運(yùn)行的類似行星的天氣和氣候的替代物。

　　行星科學(xué)家們意識(shí)到，哈勃提供的任何一年的數(shù)據(jù)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(jì)劃每年都會(huì)在行星最接近地球的時(shí)候?qū)λ鼈冞M(jìn)行一次例行訪問，這種排列方式被稱為對(duì)沖。 這產(chǎn)生了一個(gè)巨大的數(shù)據(jù)檔案庫，與全世界的行星天文學(xué)家分享了一系列非凡的發(fā)現(xiàn)。

　　哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的寬視場(chǎng)照相機(jī) 3 (WFC3) 科學(xué)儀器上的光譜濾鏡提供了豐富的信息。 左圖是使用三個(gè)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(kuò)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(dòng)物（如螳螂蝦，其眼睛的功能類似于美國宇航局某些任務(wù)中的傳感器）能夠探測(cè)到紅外線和紫外線。 結(jié)果是一個(gè)生動(dòng)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(gè)大風(fēng)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(fēng)暴羽流）。 包括 OPAL 小組在內(nèi)的天文學(xué)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(xué)成分的差異。 資料來源：NASA、ESA、Amy Simon（NASA-GSFC）、Michael H. Wong（加州大學(xué)伯克利分校）、Joseph DePasquale（STScI）

　　木星的云帶呈現(xiàn)出千變?nèi)f化的萬花筒形狀和色彩。 木星上總是風(fēng)雨交加：氣旋、反氣旋、風(fēng)切變，還有太陽系中最大的風(fēng)暴--大紅斑（GRS）。 木星的大氣層深達(dá)數(shù)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(cè)量風(fēng)、風(fēng)暴和旋渦，此外還可以監(jiān)測(cè) 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(shù)據(jù)測(cè)量了平流層煙霧極罩中出現(xiàn)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(dá) 12 年的軌道上大約有 6400 萬公里的變化，因此 OPAL 密切監(jiān)測(cè)大氣層的季節(jié)性影響。 哈勃的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是，地面天文臺(tái)無法連續(xù)觀測(cè)木星兩圈，因?yàn)檫@加起來長達(dá) 20 個(gè)小時(shí)。 在這段時(shí)間里，地面天文臺(tái)將進(jìn)入白天，直到第二天傍晚才能看到木星。

　　OPAL的發(fā)現(xiàn)還可能為歐空局的木星冰月探測(cè)器Juice提供支持，該探測(cè)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(xiàn)場(chǎng)儀器對(duì)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(jìn)行詳細(xì)觀測(cè)。 這項(xiàng)任務(wù)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(fù)雜環(huán)境，并將更廣泛的木星系統(tǒng)作為整個(gè)宇宙中氣體巨行星的原型進(jìn)行研究。

　　這是一組哈勃太空望遠(yuǎn)鏡拍攝的土星圖像，拍攝時(shí)間為 2018 年至 2024 年。 這組圖像顯示了土星圍繞太陽運(yùn)行時(shí)，壯麗的星環(huán)系統(tǒng)相對(duì)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(duì)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(xiàng)名為 OPAL（外行星大氣遺產(chǎn)）的哈勃計(jì)劃下拍攝的。

　　土星繞太陽一周需要 29 年多的時(shí)間，因此 OPAL 對(duì)土星的跟蹤時(shí)間大約為四分之一個(gè)土星年（2018 年，在卡西尼飛行任務(wù)結(jié)束后開始跟蹤）。 由于土星傾斜 26.7 度，它比木星經(jīng)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?yàn)樗鼈兿鄬?duì)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(gè)濾鏡映射到人眼可感知的 RGB 顏色上的真實(shí)數(shù)據(jù)。 每個(gè)濾光片組合都強(qiáng)調(diào)了云層高度或成分的細(xì)微差別。 卡西尼號(hào)任務(wù)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(fù)雜的化學(xué)多樣性。 OPAL計(jì)劃通過測(cè)量云層中的微妙模式如何隨時(shí)間變化，擴(kuò)展了卡西尼號(hào)的遺產(chǎn)。 資料來源：NASA、ESA、Amy Simon（NASA-GSFC）、Michael H. Wong（加州大學(xué)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(cè)到的，但哈勃提供了一個(gè)更長的基線。 哈勃發(fā)現(xiàn)顏色每年都有細(xì)微變化，可能是由云層高度和風(fēng)引起的。 觀測(cè)到的變化是微妙的，因?yàn)?OPAL 只覆蓋了土星年的一小部分。 當(dāng)土星進(jìn)入下一個(gè)季節(jié)時(shí)，就會(huì)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(zhuǎn)的短暫特征。 它們鬼魅般的外觀只能圍繞土星旋轉(zhuǎn)兩到三圈。 在活躍期，新形成的輻條會(huì)不斷增加圖案。 旅行者 2 號(hào)在 1981 年首次看到了它們。 卡西尼號(hào)在 2017 年結(jié)束的長達(dá) 13 年的任務(wù)中也看到了輻條。 哈勃顯示，輻條出現(xiàn)的頻率受季節(jié)影響，2021 年首次出現(xiàn)在 OPAL 數(shù)據(jù)中。 長期監(jiān)測(cè)顯示，輻條的數(shù)量和對(duì)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(dòng)，而不是像地球那樣以更垂直的姿勢(shì)旋轉(zhuǎn)。 天王星有一個(gè)奇怪的傾斜的水平旋轉(zhuǎn)軸，與行星軌道平面的夾角僅相差 8 度。 最近的一種理論認(rèn)為，天王星曾經(jīng)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(shí)間的推移相互產(chǎn)生的共振力矩。 行星傾斜的后果是，在長達(dá) 42 年的時(shí)間里，一個(gè)半球的部分地區(qū)完全沒有陽光照射。 當(dāng)旅行者 2 號(hào)宇宙飛船在 20 世紀(jì) 80 年代造訪時(shí)，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(xiàn)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(cè)向傾斜，因此其自轉(zhuǎn)軸幾乎位于行星軌道的平面上。 這導(dǎo)致這顆行星在繞太陽運(yùn)行的 84 年中經(jīng)歷了劇烈的季節(jié)變化。 行星傾斜的后果意味著一個(gè)半球的部分地區(qū)完全沒有陽光，持續(xù)時(shí)間長達(dá) 42 年。 OPAL已經(jīng)跟蹤了現(xiàn)在向太陽傾斜的北極。

　　通過 OPAL，哈勃在春分之后首次對(duì)天王星進(jìn)行了成像，此時(shí)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(shí)在中北緯出現(xiàn)的多個(gè)甲烷冰晶云風(fēng)暴。 天王星的北極現(xiàn)在有一層增厚的光化學(xué)煙霧，在邊界邊緣附近有幾個(gè)小風(fēng)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(huì)變得更加明亮，并將直接對(duì)準(zhǔn)地球，從而可以很好地觀測(cè)星環(huán)和北極。 屆時(shí)，星環(huán)系統(tǒng)將以正面出現(xiàn)；

　　這張哈勃太空望遠(yuǎn)鏡拍攝的動(dòng)態(tài)藍(lán)綠行星海王星快照顯示了一個(gè)巨大的黑暗風(fēng)暴（中上圖）和附近出現(xiàn)的一個(gè)較小的黑點(diǎn)（右上圖）。 這個(gè)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(diào)轉(zhuǎn)方向，開始向北漂移。 資料來源：NASA、ESA、STScI、M.H. Wong（加州大學(xué)伯克利分校）、L.A. Sromovsky 和 P.M. Fry（威斯康星大學(xué)麥迪遜分校）

　　1989 年，當(dāng)旅行者 2 號(hào)飛越海王星時(shí)，天文學(xué)家對(duì)大氣層中若隱若現(xiàn)的一個(gè)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(gè)問題一直沒有答案，直到哈勃在 1994 年證明，這種暗風(fēng)暴是短暫的，出現(xiàn)后又消失，每個(gè)暗風(fēng)暴的持續(xù)時(shí)間為 2 到 6 年。 在 OPAL 計(jì)劃期間，哈勃看到了一個(gè)暗斑的結(jié)束和第二個(gè)暗斑的整個(gè)生命周期--這兩個(gè)暗斑在消散前都向赤道遷移。 OPAL 計(jì)劃確保天文學(xué)家不會(huì)再錯(cuò)過另一個(gè)黑點(diǎn)。

　　哈勃觀測(cè)發(fā)現(xiàn)了海王星云量變化與 11 年太陽周期之間的聯(lián)系。 它所接受的陽光強(qiáng)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(dòng)的影響。 海王星的四季（每個(gè)季節(jié)大約持續(xù) 40 年）是否也起了作用？ 如果 OPAL 計(jì)劃繼續(xù)在哈勃望遠(yuǎn)鏡上運(yùn)行到 2179 年，我們也許就會(huì)知道了！

　　哈勃太空望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)運(yùn)行了三十多年，并不斷取得突破性的發(fā)現(xiàn)，這些發(fā)現(xiàn)形成了我們對(duì)宇宙的基本認(rèn)識(shí)。 哈勃望遠(yuǎn)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(xiàng)目。 美國宇航局位于馬里蘭州格林貝爾特的戈達(dá)德太空飛行中心負(fù)責(zé)管理望遠(yuǎn)鏡和任務(wù)運(yùn)行。 位于丹佛的洛克希德-馬丁航天公司也為戈達(dá)德的任務(wù)運(yùn)行提供支持。 位于巴爾的摩的太空望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究所由天文學(xué)研究大學(xué)協(xié)會(huì)運(yùn)營，為美國國家航空航天局進(jìn)行哈勃科學(xué)運(yùn)營。