韦伯探测到土星高层大气中的复杂结构

天文学家利用美国国家航空航天局（NASA）/欧洲航天局（ESA）的詹姆斯·韦布空间望远镜，在土星的电离层和平流层中探测到一系列黑暗、珠状且不对称的星状特征。

在土星电离层（左图）的近红外辐射探测中，明亮的极光内嵌入了黑暗的珠状特征；在其下方500公里处的平流层（右图），一个不对称的星状图案向赤道方向延伸。诺森比亚大学的汤姆·斯塔拉德教授表示：“这次使用韦布望远镜的机会，是我们首次能够对土星的极光和上层大气进行如此详细的近红外观测。结果完全出乎我们的意料。”

“我们原本预期会在各个层面看到宽波段的辐射。” “然而，我们看到的是精细的珠状和星状图案，尽管它们在高度上相隔甚远，但可能存在某种联系，也可能与土星云层深处著名的六边形结构有关。” “这些特征完全出乎意料，目前也完全无法解释。”

研究人员专注于探测带正电的氢分子形式H³⁺的红外辐射，它在土星大气的反应中起着关键作用，因此能为了解其中的化学和物理过程提供有价值的见解。韦布的近红外光谱仪使科学家能够同时观测土星标称表面上方1100公里处电离层中的H³⁺离子，以及下方600公里平流层中的甲烷分子。

在电离层的带电等离子体中，他们观察到一系列黑暗的珠状特征嵌入明亮的极光光环中。这些结构在数小时内保持稳定，但在更长时间内似乎会缓慢漂移。在土星平流层大约低500公里处，研究团队发现了一个不对称的星状特征。这个不寻常的结构从土星北极向赤道延伸。

这颗星的六条臂中只有四条可见，两条神秘缺失，形成了不对称的图案。斯塔拉德教授说：“由于该区域的辐射极其微弱，到目前为止，通过各种任务和望远镜设施研究土星的上层大气极其困难。” “韦布望远镜令人难以置信的灵敏度彻底改变了我们观测这些大气层的能力，揭示出与我们在任何行星上见过的都完全不同的结构。”

研究人员绘制了这些特征的确切位置，发现它们在不同层面上覆盖了土星的同一区域，星状图案的臂似乎从风暴云层面六边形顶点正上方的位置发出。这表明驱动这些图案的过程可能影响贯穿土星大气的气柱。

斯塔拉德教授说：“我们认为，黑暗的珠状结构可能是土星磁层与其旋转大气之间复杂相互作用的结果，这可能为驱动土星极光的能量交换提供新的见解。” “不对称的星状图案表明，土星平流层中存在以前未知的大气过程，可能与在土星大气深处观测到的六边形风暴图案有关。”

“有趣的是，电离层中最暗的珠状结构似乎与平流层中最强的星状臂对齐，但目前尚不清楚它们是否真的有关联，还是只是巧合。” 虽然这两个特征对于理解气态巨行星的大气动力学可能具有重要意义，但需要更多研究来解释其根本原因。

研究团队希望未来能获得更多时间，利用韦布望远镜对土星进行后续观测，以进一步探索这些特征。土星大约每15个地球年迎来一次春分或秋分，随着土星相对于太阳的方向发生变化，北半球进入秋季，这些结构可能会发生巨大变化。

发表在《地球物理研究快报》杂志上的一篇论文的第一作者斯塔拉德教授说：“由于这两个大气层都无法用地面望远镜观测到，因此在土星这一关键的季节变化时期，迫切需要韦布望远镜进行后续观测。” 研究人员本月还在芬兰赫尔辛基举行的 “EPSC – DPS2025联合会议” 上展示了这些结果。