史上最清晰的木星影像,拍出太空望远镜看不到的细节

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新的观测也证实了著名的大红斑中的黑点实际上是云层的缝隙,而不是云层的颜色变化。

位于夏威夷Maunakea的双子座北望远镜收集了一些从地面获得的木星的最高分辨率图像。这些图像是哈勃太空望远镜多年联合观测计划的一部分,以支持美国宇航局的朱诺号任务。双子座的图像,结合哈勃和朱诺的观察,揭示了闪电,和一些产生它们的最大的风暴系统,是在深的水冰和液体云上的大型对流细胞内和周围形成的。新的观测也证实了著名的大红斑中的黑点实际上是云层的缝隙,而不是由于云层颜色的变化。

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美国国家科学基金会(NSF)的NOIRLab项目——国际双子座天文台(international Gemini Observatory)对木星云顶进行了为期三年的成像观测。超清晰的双子座红外图像补充了哈勃望远镜的光学和紫外线观测以及朱诺宇宙飞船的无线电观测,揭示了这个巨大行星的新秘密。

加州大学伯克利分校的Michael Wong说:“双子座的数据至关重要,因为它们让我们能够定期深入木星的云层。”“我们使用了一种非常强大的技术,叫做幸运成像,”Wong补充道。通过幸运成像,可以获得大量非常短的曝光图像,只有在地球大气短暂稳定的情况下,才能使用最清晰的图像。这个例子的结果是一些从地面获得的最清晰的木星红外图像。据王说,“这些照片可以与太空的景色相媲美。”

北双子座的近红外成像仪(NIRI)可以让天文学家深入观察木星的强大风暴,因为波长较长的红外光可以穿过薄薄的薄雾,但被木星大气层中较厚的云层所遮蔽。这就产生了一种类似“南瓜灯”的效果,在图片中,温暖的木星大气层的深层通过厚厚的云层的缝隙发光。

在过去的三年中,双子座和哈勃望远镜对木星进行了详细的多波长成像,这对朱诺号轨道飞行器的观测以及了解木星的风型、大气波和气旋起到了至关重要的作用。这两架望远镜和“朱诺”号一起,可以观察木星的大气层,作为一个由风、气体、热量和天气现象组成的系统,提供覆盖范围和洞察力,就像气象学家用来观察地球的气象卫星网络一样。

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这些木星大红斑的图片是由哈勃太空望远镜和国际双子天文台在2018年4月1日收集的数据拍摄的。通过结合几乎同时从两个不同的天文台获得的观测资料,天文学家能够确定大红斑上的黑色特征是云中的洞,而不是大量的黑色物质。左上(宽视图)和左下(细节):哈勃拍摄的木星大气中云层反射太阳光(可见光)的图像显示了大红斑内的黑暗特征。右上角:热红外图像的同一地区从双子座显示热能发射为红外线。凉爽的云层以暗区出现,但是云层中的空隙允许明亮的红外辐射从下面温暖的云层中逃逸出来。中下:哈勃望远镜拍摄的紫外线图像显示,阳光从大红斑上方的薄雾中散射回来。大红斑在可见光中呈现红色,因为烟雾吸收了蓝色波长。哈勃的数据显示,即使在较短的紫外线波段,雾霾也会继续吸收。右下:哈勃和双子座的多波长合成数据显示可见光为蓝色,热红外为红色。综合观测结果显示,在红外波段上明亮的区域是空地,或者是云层较少、阻挡了来自内部热量的地方。哈勃和双子座的观测为“朱诺”号的第12次发射提供了广阔的视野。资料来源:NASA、ESA和M.H. Wong(加州大学伯克利分校)及其团队

绘制巨型雷暴图

在每次近距离掠过木星云层时,“朱诺”号都能探测到被称为“sferics”(大气层的缩写)和“whistlers”(因为它们在无线电接收器上发出的类似口哨的声音而得名)的强大闪电产生的无线电信号。只要有可能,双子座和哈勃望远镜就把焦点对准木星,获得了这颗巨大行星的高分辨率、广域地图。

朱诺号的仪器可以确定星群信号和惠斯勒信号的经纬度坐标。通过双子星和哈勃的多波长图像,研究人员现在可以探测这些位置的云结构。通过综合这三种信息,研究小组发现,雷击和一些产生雷击的最大风暴系统,是在水、冰和液体构成的深云层上的大型对流单体内部和周围形成的。

“科学家跟踪闪电是因为它是对流的标志,这是一个湍流的混合过程,将木星内部的热量传送到可见的云顶,”Wong解释说。朱诺观测到的最密集的闪电来自一种名为“丝状气旋”的旋涡风暴。从双子座和哈勃拍摄的图像显示了气旋的细节,揭示了它是一个扭曲的高对流云的集合,有很深的缝隙,可以瞥见远低于水面的云。

“对闪电源的持续研究将帮助我们理解木星上的对流与地球大气中的对流有何不同或相似之处,”Wong评论道。

大红斑的发光特征

在扫描这颗气体巨星的云层间隙时,双子座在大红斑上发现了一颗说明问题的辉光,这表明它可以清楚地看到更温暖的大气层深处。

“类似的特征以前也在大红斑上看到过,”喷气推进实验室的团队成员Glenn Orton说,“但是可见光观测无法区分更暗的云物质和木星温暖内部更薄的云层,所以它们的性质仍然是一个谜。”

现在有了双子星座的数据,这个谜团就解开了。哈勃望远镜拍摄的可见光图像显示,大红斑处有一个黑色的半圆形,而双子座望远镜使用红外线拍摄的图像则显示出照亮该区域的明亮弧形。这种来自木星内部热量的红外光本可以被更厚的云层所阻挡,但却可以毫无阻碍地穿过木星朦胧的大气层。通过将这些特征视为明亮的红外热点,双子座确定它们是云层中的缝隙。尽管早期的观测发现了大红斑的黑暗特征,但在哈勃和双子座同时进行观测之前,红斑内部的快速旋转风掩盖了这些黑点的真实性质。

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Wong解释说:“对于美国和国际双子伙伴计划的研究人员来说,北双子座的NIRI是获得木星在这个波长的详细地图的最有效的方法。”双子座在木星上实现了500公里(300英里)的分辨率。“以这个分辨率,望远镜可以分辨出从纽约市看到的迈阿密一辆汽车的两盏前灯,”领导这次观测的双子座天文学家安德鲁·斯蒂芬斯(Andrew Stephens)说。

双子座的美国资助机构——国家科学基金会的天文学项目主任马丁·斯蒂尔说:“这些协调一致的观测结果再次证明,将双子望远镜的功能与免费的地面和太空设施结合起来,就有可能实现开拓性的天文学研究。”“国际双子座伙伴关系提供了一个强大的组合开放访问大型望远镜的收集领域,灵活的调度,和广泛的可互换的仪器的选择。”

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