太陽系中的冰巨星：天王星和海王星既神秘又遙遠。NASA的詹姆斯•韋伯太空望遠鏡（James Webb Space Telescope）將在2021年發射後不久，破解關於這兩顆行星的大氣的秘密，揭開它們的神秘面紗。
哈勃太空望遠鏡（Hubble Space Telescope）拍攝的這些圖像顯示了天王星的不同面貌。如左側圖所示，拍攝於2005年的天王中圖像中年展示了其光環系統。天王星（連同其光環和衛星）向側面傾斜，其自轉軸的傾斜角度約為90度。在哈勃太空望遠鏡於一年後所拍攝的特寫圖中，揭示了天王星的帶狀結構和一個神秘黑暗風暴。
版權：美國國家航空航天局（NASA）、歐洲航天局（ESA）和M. Showalter (地外文明搜尋研究所，SETI Institute）；
右側圖像：NASA、ESA、L. Sromovsky和P. Fr（威斯康星大學，U. Wisconsin）、H. Hammel（空間科學研究所，Space Science Institute）和K. Rages （SETI Institute）
寒冷而遙遠的巨行星天王星和海王星被稱為「冰巨星」（ice giants），因為它們的內部結構不同於木星和土星。木星和土星富含氫和氦，被稱為「氣態巨行星」（gas giants）。此外，冰巨星的體積也小於氣體巨行星，介於類地行星（terrestrial planets）和氣態巨行星之間。冰巨星是太陽系中被探索最少的一類行星。科學家們利用韋伯太空望遠鏡任務，通過只有韋伯太空望遠鏡才能夠做到的方式，來研究天王星和海王星的環流模式、化學成分和天氣。
這項研究的負責人、英國萊斯特大學（University of Leicester）行星科學副教授利•弗萊徹（Leigh Fletcher）解釋道：「韋伯太空望遠鏡能夠做到的關鍵事情是繪製天王星和海王星的大氣溫度和化學結構圖，這是其他任何太空望遠鏡都難以實現的。據我們推測，與氣態巨行星相比，冰巨星的天氣和氣候具有根本不同的特徵。部分原因在於它們離太陽太遠，體積更小，在軸上旋轉更慢，同樣也因為氣體的均勻度和大氣混合的量與木星和土星差距極大。」
天王星和海王高層大氣中的所有氣體都具有韋伯太空望遠鏡能夠探測到的獨特化學「指紋」。至關重要的是，韋伯太空望遠鏡能夠區分不同的化學物質。它將能夠分辨，這些化學物質是由陽光與大氣相互作用產生的，還是通過大規模環流模式從一個地方重新分布到另一個地方的。
這些研究將通過特保時間觀測（Guaranteed Time Observations, GTO）項目進行，該項目由行星科學家、韋伯太空望遠鏡項目的跨學科科學家海蒂•海默（Heidi Hammel）領導。同時，她也是華盛頓哥倫比亞特區大學天文研究協會（Association of Universities for Research in Astronomy, AURA）的副主席。海蒂•海默的項目將證明韋伯太空望遠鏡觀測太陽系天體的能力，並運用韋伯太空望遠鏡對明亮和/或正在天空中移動的觀測對象的一些特定技術。
天王星：傾斜的行星
不同於太陽系中的其他行星，天王星（連同其光環和衛星）是向一側傾斜的，其自轉軸的傾斜角度約為90度。這種獨特的軸傾斜可能是在太陽系形成初期與另一顆巨大的原行星（protoplanet）發生劇烈碰撞的結果，導致了天王星上的極端季節。
旅行者2號（Voyager 2）於1986年飛掠天王星時，觀測到特徵不明顯的略帶藍色的天體。一層薄霧遮住了視野中行星上的大部分雲層特徵。
版權：NASA /噴氣推進實驗室-加州理工學院（JPL-Caltech）
當NASA的旅行者2號探測器於1986年飛掠天王星時，天王星的一個極點正對著太陽。海蒂•海默解釋道：「不管天王星旋轉多少，它的其中一個半球始終處於光照下，另一面半球則完全處於黑暗中。這是你所能想像到的最瘋狂的事情。」
令人失望的是，旅行者2號只觀測到了一顆被薄霧覆蓋的光滑行星，只有寥寥幾片雲。但當哈勃太空望遠鏡在21世紀初觀測天王星時，天王星已經繞軌道運行了四分之一圈。現在，天王星的赤道正對太陽，一天中整顆星球在都能被陽光照射到。
海蒂•海默表示：「理論上而言，什麼都不會改變。但事實上卻是，天王星開始出現各種各樣的亮雲，並且哈勃太空望遠鏡發現了一塊黑斑。當天王星環繞著太陽運行時，隨著陽光的變化，雲層似乎發生了劇烈的變化。」
隨著海王星繼續其緩慢的軌道運行，它的另一極將於2028正對太陽。
韋伯太空望遠鏡將深入了解驅動天王星雲層和天氣形成的強大的季節性力量，以及其隨著時間的變化。這將有助於確定能量如何流動並通過天王星大氣運輸。科學家們希望利用韋伯太空望遠鏡的整個任務歷程來觀測天王星，以建立一個天王星大氣如何響應極端季節的時間軸。這將有助於他們理解為什麼天王星的大氣層似乎經歷了一段時期的劇烈活動，其間穿插著平靜的時刻。
海王星：超音速風的星球
海王星是一顆黑暗、寒冷的星球，然而它卻被風速高達每小時1500英里的超音速風攪得天翻地覆。海王星與太陽的距離是地球跟太陽距離的30倍，是太陽系中唯一一顆用肉眼看不到的行星。海王星於1846年被發現，但在此之前，科學家們已經利用數學預測出了其存在。2011年，海王星完成了自被發現以來的第一個165年的太陽軌道周期。
旅行者2號拍攝的這幅海王星圖像顯示了一顆寒冷、黑暗風暴肆虐的星球。1989年，NASA的旅行者2號成為第一個也是唯一一個觀測海王星的探測器，在距離海王星北極約3000英里的上空飛過。
版權：NASA /JPL-Caltech
與天王星類似，海王星的深層大氣由水、氨、硫化氫和甲烷組成，包裹在未知的、難以到達的內核之外。上層大氣由氫、氦和甲烷構成。同天王星一樣，甲烷使海王星呈現出藍色，但大氣中一些仍然神秘未知的化學物質使海王星的藍色比天王星更引人注目。
利•弗萊徹解釋道：「關於海王星也存在同樣的問題：能量是如何流動的，又是如何在行星大氣中運輸的？但海王星的情況不同於天王星，海王星有強大的內部熱源，能夠驅動太陽系中最強烈風暴的產生以及最轉瞬即逝的大氣渦旋以及雲的特徵。如果我們持續觀測海王星，它的表面總是隨著這些雲的改變而變化。」
1989年，旅行者2號飛掠海王星之後，科學家們在這顆行星的南極發現了一個明亮、熾熱的漩渦 - 風暴。由於那裡的溫度比大氣中其他任何地方都要高，因此該區域可能與某種獨特的化學物質有關。韋伯太陽望遠鏡的高靈敏度將使科學家們得以了解極地渦旋不尋常的化學環境。
僅僅是個開始
利•弗萊徹建議，要做好觀測天王星和海王星上的現象的準備，這些現象與我們過去所看到的完全不同。他表示：「韋伯太空望遠鏡確有能力從全新的視野來觀測這兩顆冰巨星。但若想了解塑造它們的持續的大氣過程，我們所需要的遠非若干樣本而已。因此，我們將木星、土星、天王星和海王星進行比較，並通過比較建立關於大氣運行的一個更廣泛的總體圖景。這是了解這些行星如何隨時間演化的開始。」
海默補充道：「據我們目前所知有數百顆圍繞著其他恆星運行的系外行星（exoplanets），它們和太陽系中的冰巨星大小相似。天王星和海王星為我們研究這些新發現的系外行星提供了基本依據。」
2018年哈勃空間望遠鏡拍攝到的海王星，在海王星上有一個新的黑暗風暴
版權：NASA、ESA和A. Simon (NASA戈達德太空飛行中心，NASA Goddard Space Flight Center)，M. Wong和A. Hsu（加州大學伯克利分校，University of California, Berkeley）
詹姆斯•韋伯太空望遠鏡將於2021年發射，屆時它將成為世界上首屈一指的空間科學觀測站。韋伯太空望遠鏡將解開太陽系的奧秘，遠眺其他恆星周圍的遙遠世界，探索宇宙的神秘結構及起源，以及我們在其中的位置。韋伯太空望遠鏡任務是一個由NASA及其合作夥伴ESA和加拿大航天局領導（Canadian Space Agency）領導的國際項目。
關於韋伯太空望遠鏡的更多信息，請訪問www.nasa.gov/webb。
來源：
https://www.nasa.gov/feature/goddard/2020/examining-ice-giants-with-nasa-s-webb-telescope