2025 年 4 月的一次罕見天體連珠讓美國宇航局的科學家有機會在天王星經過一顆遙遠恒星前方時對其進行極其詳細的研究。這次恒星掩星現象僅在北美西部部分地區可見，它使研究人員能夠測量天王星大氣的變化，而這種變化幾十年來都沒有得到如此徹底的研究。

這張由美國宇航局詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的近紅外相機（NIRCam）拍攝的天王星照片，精美地捕捉到了天王星季節性的北極冠以及昏暗的內外環。韋伯太空望遠鏡照片還顯示了該行星27顆衛星中的9顆——從2點鐘方向開始順時針方向，它們分別是：Rosalind, Puck, Belinda, Desdemona, Cressida, Bianca, Portia, Juliet 以及 Perdita.。圖片來源：美國宇航局、歐空局、加拿大空間局、太空望遠鏡科學研究所

4月7日，天王星完美地運行到地球和一顆遙遠恒星之間，形成了罕見的宇宙事件，被稱為恒星掩星。但對NASA的科學家來說，這不僅僅是一次美麗的連珠炮似的星云，更是一次絕佳的機會，讓我們能夠以30多年來從未有過的方式研究這顆神秘的冰巨星。

通過觀察這顆恒星在天王星后方經過時光線的變暗和變亮，科學家們能夠以令人難以置信的細節測量這顆行星大氣的關鍵特征，例如其溫度、壓力和密度。星光的閃爍形成了所謂的光變曲線，它是揭開隱藏在行星高空秘密的有力工具。

藝術家繪制的插圖展示了一顆遙遠的恒星被天王星遮蔽后消失在視野之外——這一現象被稱為行星掩星。圖片來源：NASA/先進概念實驗室

光變曲線揭示大氣秘密

“天王星從一顆距離地球約400光年的恒星前方經過，”美國宇航局位于弗吉尼亞州漢普頓的蘭利研究中心的行星科學家、NASA團隊稱之為“2025天王星掩星行動”的科學首席研究員兼分析負責人威廉·桑德斯說道?！爱斕焱跣情_始掩星時，行星大氣折射了星光，導致恒星看起來逐漸暗淡，最終被完全遮擋。掩星結束時，情況發生了逆轉，形成了我們所說的光變曲線。通過利用許多大型望遠鏡觀測掩星，我們能夠測量光變曲線，并確定天王星在多個高度層的大氣特性。”

來自天王星平流層（大氣層的中間層）的詳細數據將幫助科學家了解該星球當前的氣候狀況、幾十年來的變化，以及未來對這個遙遠冰冷世界的任務將會帶來什么。

這幅渲染圖展示了恒星掩星期間發生的情況，并展示了科學家記錄的光變曲線數據圖示例。當天王星掩星時，星光量會發生變化，科學家可以利用這些數據收集天王星的溫度和氣壓等大氣測量數據。圖片來源：NASA/蘭利研究中心高級概念實驗室

全球協同努力觀測天王星

為了觀測這一持續約一小時且僅在北美西部可見的罕見事件，美國宇航局蘭利的行星科學家帶領一支由 30 多名天文學家組成的國際團隊使用了18 個專業天文臺。

“這是我們首次在如此規模的掩星觀測中展開合作，”桑德斯說道。“我非常感謝團隊的每一位成員和每個天文臺參與這次非凡的觀測。NASA將利用對天王星的觀測數據來確定能量在大氣中的運動方式，以及導致其上層溫度異常升高的原因。其他機構將利用這些數據測量天王星的光環、大氣湍流以及它繞太陽的精確軌道。”

2025年4月7日，天王星掩星事件發生期間，NASA 2025年天王星掩星活動首席研究員 Kunio Sayanagi 與合作伙伴進行線上會議，并在位于弗吉尼亞州漢普頓的 NASA 蘭利研究中心的飛行任務支持中心觀察數據。圖片來源：NASA/Dave MacDonnell

揭開天王星軌道和環的神秘面紗

了解天王星的位置和軌道并不像聽起來那么簡單。1986年，美國宇航局的“旅行者2號”宇宙飛船成為第一艘也是唯一一艘飛越天王星的宇宙飛船，比1996年發生的上一次明亮恒星掩星事件早了十年。而且，天王星在太空中的精確位置精度僅為100英里左右，因此分析這些新的大氣數據對于美國宇航局未來探索這顆冰巨星至關重要。

這些調查之所以成為可能，是因為大量的合作伙伴通過許多不同的儀器提供了許多關于恒星掩星的獨特視圖。

2025年4月7日，天王星掩星期間，美國宇航局行星科學家威廉·桑德斯和德克薩斯農工大學研究助理埃里卡·庫克在位于德克薩斯州杰夫戴維斯縣的麥克唐納天文臺奧托·斯特魯維望遠鏡的控制室里。圖片來源：約書亞·桑塔納

美國宇航局紅外望遠鏡設施加入此項努力

艾瑪·達爾 (Emma Dahl) 是加利福尼亞州帕薩迪納市加州理工學院的博士后學者，她協助收集了位于夏威夷莫納克亞山頂的美國宇航局紅外望遠鏡設施 (IRTF) 的觀測數據，該天文臺最初是為了支持美國宇航局的航海者任務而建造的。

“作為科學家，我們合作才能取得最佳成果。這是NASA科學家、學術研究人員和業余天文學家共同努力的成果，”達爾說道?！皻鈶B和冰態巨行星（木星、土星、天王星和海王星）的大氣層是絕佳的大氣實驗室，因為它們沒有固體表面。這使我們能夠研究云的形成、風暴和風型，而不會受到表面產生的額外變量和影響的影響，而這些變量和影響會迅速使模擬變得復雜。”

在亞洲進行的測試使四月份的預測更加準確

2024年11月12日，NASA蘭利中心的研究人員及其合作者成功進行了一次測試，為4月份的掩星做準備。蘭利中心協調了日本的兩臺望遠鏡和泰國的一臺望遠鏡，觀測了一場僅在亞洲可見的、較暗的天王星掩星事件。這些觀測者通過此次測試，學會了如何校準他們的儀器以觀測掩星現象，而NASA也得以驗證其理論：多個天文臺合作，能夠在4月份捕捉到天王星的這一重大事件。

巴黎天文臺和空間科學研究所的研究人員與美國國家航空航天局（NASA）合作，協調了印度兩臺望遠鏡對2024年11月天王星掩星事件的觀測。這些對天王星及其光環的觀測，使這些研究人員（他們也是4月7日掩星小組的成員）能夠將4月7日掩星時間的預測精確到秒，并改進了模型，將天王星掩星期間的預期位置更新了125英里。

天王星為何成為冰巨星

天王星距離地球近20億英里，其大氣層主要由氫和氦組成。它沒有固體表面，而是由水、氨和甲烷組成的柔軟表面。它被稱為冰巨星，是因為它內部含有大量冰點相對較低的旋轉流體。土星是最著名的擁有光環的行星，而天王星則擁有13個由冰和塵埃組成的已知光環。

展望未來：2031年更明亮的掩星

未來六年，天王星將掩蔽幾顆較暗的恒星。NASA希望在2031年對下一次明亮的天王星掩星進行機載和太空測量，屆時掩星的恒星將比今年四月觀測到的那顆更加明亮。

編譯自/ScitechDaily