美国国家航空航天局的创新望远镜将研究木星、它的光环和两颗有趣的卫星

月球绕木星运行

在这张由美国宇航局的卡西尼号飞船拍摄的照片中,木卫一卫星环绕木星运行。在这张图片中,木星和木卫一看似距离很近,但实际上,这颗卫星的轨道距离这颗气态巨行星21.7万英里。资料来源:美国宇航局/喷气推进实验室/亚利桑那大学

木星它以古罗马众神之王的名字命名,控制着它自己的迷你版的环绕太阳系的卫星;他们的运动使伽利略·伽利莱在17世纪早期相信地球不是宇宙的中心。400多年后,天文学家将使用美国国家航空航天局詹姆斯·韦伯太空望远镜观测这些著名的课题,使天文台的仪器发挥了最大的作用,为深远的科学发现奠定了基础。

这是一个由40多名研究人员组成的多元化团队,由来自太空的天文学家Imke de Pater领导加州大学伯克利分校巴黎天文台的Thierry Fouchet设计了一个雄心勃勃的计划观察项目这将是韦伯首次对太阳系进行科学观测——研究木星、它的光环系统,以及它的两颗卫星:木卫三和木卫一。

德帕特说:“这将是一项非常具有挑战性的实验。”“木星非常明亮,韦伯的仪器又非常敏感,观测这颗明亮的行星及其较暗的光环和卫星将是一项极好的测试,可以帮助我们充分利用木星。韦伯的创新技术”。

木星的外层大气层向木星延伸数千英里

环绕木星北极的气旋风暴被美国宇航局的朱诺探测器用红外线捕捉到。来源:美国国家航空航天局/姓名/ SwRI / ASI / INAF / JIRAM

木星

除了校准韦伯的仪器对木星的亮度,天文学家还必须考虑到行星的旋转,因为木星完成一天只需要10个小时。几个图像必须拼接在一起,才能完全捕捉到一个特定的区域——例如著名的大红斑风暴——当物体本身在移动时,这个任务变得更加困难。虽然很多望远镜都在研究木星及其风暴,但韦伯的大镜和强大的仪器将提供新的见解。

“我们知道,大红斑上方的大气层比木星的其他区域更冷,但在更高的海拔,在中间层,大气似乎更暖。我们将使用韦伯来研究这一现象,”德帕特说。

韦伯还将检查极地地区的大气,美国宇航局的朱诺号宇宙飞船在那里发现了一些气旋团。韦伯的光谱数据将提供比以往观测更详细的信息,可以测量风、云粒子、气体成分和温度。

韦伯未来对太阳系巨行星的观测将受益于早期对木星系统的观测。该团队的任务是开发利用韦伯观测太阳系行星的方法,以后其他科学家可以使用这些方法。

木星的光环系统

美国宇航局的伽利略号宇宙飞船拍摄到了木星光环系统的一张照片,包括弥散的外游丝环。来源:美国航天局/喷气推进实验室/康奈尔大学

太阳系的四颗气态巨行星都有光环土星这是最突出的。木星的光环系统由三部分组成:一个平坦的主光环;主环内的光晕,形状像双凸透镜;还有薄纱环,在主环的外面。木星的光环系统异常微弱,因为组成光环的粒子非常小,而且稀疏,反射不了多少光。临近行星的亮度,它们几乎消失了,这给天文学家带来了挑战。

加州大学伯克利分校的联合研究员迈克尔·黄说:“我们真的是在将韦伯仪器的一些功能推向极限,以获得一组独特的新观测结果。”该团队将测试处理木星散射光的观测策略,并建立模型供其他天文学家使用,包括那些研究人员系外行星轨道明亮的恒星。

科考队也将在土星环上寻找新的发现。德·佩特指出,在动态环系统中可能存在未被发现的“短暂的小卫星”,以及因彗星撞击而在环上产生的潜在涟漪。像那些观察到并追溯到1994年苏梅克-列维9号彗星的撞击。

伽倪墨得斯

冰覆盖的木卫三的几个特征令天文学家着迷。除了是太阳系中最大的卫星,甚至比水星还要大之外,它是唯一已知的拥有自己磁场的卫星。该小组将研究木卫三大气层的最外层,即它的外逸层,以更好地了解这颗卫星与木星磁场中的粒子之间的相互作用。

也有证据表明木卫三可能有液态盐水海洋在它厚厚的表面冰层下,韦伯将对其表面盐和其他化合物进行详细的光谱研究。该小组研究木卫三表面的经验,可能对未来研究其他被怀疑有次表层海洋的冰冻太阳系卫星有用,包括土星的卫星土卫二和木星的卫星木卫二。

Io火山喷发

美国宇航局的伽利略号宇宙飞船在火山爆发时捕捉到了木卫一。来源:美国航天局/喷气推进实验室/经销商

Io

与木卫三形成鲜明对比的是该团队将要研究的另一颗卫星木卫一,它是太阳系中火山活动最活跃的星球。动态表面覆盖着数百座巨大的火山,它们会使地球上的火山相形见绌,还有熔岩湖和凝固熔岩形成的平坦漫滩。天文学家计划使用韦伯来了解更多关于木卫一火山对其大气的影响。

德佩特说:“关于木卫一的大气温度结构,我们还有很多不知道的地方,因为我们还没有数据来区分不同海拔的温度。”“在地球上,我们想当然地认为,当你爬山时,空气会变冷——在木卫一上也会这样吗?”现在我们不知道,但韦伯可能会帮助我们找到答案。”

韦伯将调查木卫一的另一个秘密是“隐形火山”的存在,这种火山释放出的气体羽状物中没有反射光线的尘埃,可以被NASA的旅行者号和伽利略号等航天器探测到,所以到目前为止还没有被发现。韦伯的高空间分辨率将能够隔离以前可能作为一个大热点出现的单个火山,使天文学家能够收集关于Io地质的详细数据。

韦伯还将提供关于木卫一热点地区温度的前所未有的数据,并确定它们现在是否更接近地球上的火山活动,或者它们是否有更高的温度,类似于地球上形成初期的环境。先前伽利略号和地面天文台的观测已经暗示了这种高温;韦伯将继续这项研究,并提供可能解决这个问题的新证据。

团队的努力

王解释说,韦伯的详细观测不会取代其他天文台的观测,而是与它们相协调。韦伯的光谱观测将只覆盖地球的一小块区域,因此地面天文台的全球视野可以显示韦伯的详细数据如何与更大范围内发生的事情相吻合,就像如何哈勃望远镜双子星天文台为朱诺号的近距离观察提供背景。”

反过来,韦伯对木星风暴和大气的研究将补充朱诺的数据,包括韦伯没有检测到的闪电无线电信号。“没有一个天文台或宇宙飞船可以做到这一切,”王说,“所以我们非常兴奋地将多个天文台的数据结合起来,告诉我们比我们只能从单一来源了解到的更多的东西。”

这项研究是韦伯早期释放科学(ERS)计划的一部分。该计划为天文台任务早期选定的项目提供了时间,允许研究人员快速学习如何最好地使用韦伯的能力,同时也产生了强大的科学。

詹姆斯·韦伯太空望远镜将于2021年发射,届时它将成为世界上首屈一指的空间科学天文台。韦伯将解开太阳系的谜团,观察其他恒星周围遥远的世界,探索宇宙的神秘结构和起源,以及我们在其中的位置。韦伯是一个由美国宇航局及其合作伙伴欧洲航天局(ESA)和加拿大航天局领导的国际项目。

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