來自天王星最大衛星的新表面數據與預期相反。天文學家利用美國宇航局的哈勃太空望遠鏡，著手研究天王星的磁場環境可能如何影響其四顆最大的衛星。他們原本以為會有所發現，但最終卻發現了完全不同的結果。得益于哈勃強大而精準的觀測，該團隊發現了一條令人驚訝的新線索，或許會改變我們對這些遙遠冰凍世界的理解。

哈勃望遠鏡對天王星四顆最大衛星的紫外線觀測發現了宇宙的轉折：科學家們原本預計天王星磁層的輻射會使衛星的后側變暗，結果卻發現外層衛星的前側變暗。這些哈勃太空望遠鏡拍攝的圖像展現了天王星的多種面貌。圖片來源：NASA、ESA、Mark Showalter（SETI研究所）、Lawrence A. Sromovsky（威斯康星大學麥迪遜分校）、Patrick M. Fry（威斯康星大學麥迪遜分校）、Heidi Hammel（SSI）、Kathy Rages（SETI研究所）

天王星的五顆最大衛星——有時被稱為“古典衛星”——從右上角到左下角，呈鋸齒狀，大致呈對角線狀。它們分別被稱為天衛三（Titania）、天衛四（Oberon）、天衛七（Umbriel）、天衛五（Miranda）和天衛八（Ariel）。此外，還可以看到天衛八的影子，它疊加在天王星上。這顆藍色冰巨星周圍環繞著微弱、幽靈般的土星光環。圖片來源：NASA、ESA、STScI、Christian Soto（STScI）

科學家們利用美國宇航局的哈勃太空望遠鏡研究天王星強大的磁場如何影響其最大的衛星，但他們的發現卻完全出乎意料。

該團隊重點研究了天王星的四顆最大衛星。天王星是一顆冰藍色行星，軌道位于太陽第七位。他們正在尋找天王星磁層（充滿帶電粒子的磁泡）與衛星表面相互作用的跡象。

他們預測，來自磁層的輻射會使衛星的“后方”面（始終背對軌道方向）變暗。而“前方”面（朝向前方）預計會更亮。

但數據卻揭示了不同的故事。哈勃望遠鏡沒有發現后方變暗。相反，外層衛星的前側卻更暗——這與科學家們的預期完全相反。這一令人驚訝的結果表明，天王星的磁層與其衛星的相互作用方式可能并非之前認為的那樣，這挑戰了先前基于紅外觀測的發現。

哈勃望遠鏡敏銳的紫外線視覺和光譜能力使這一發現成為可能，揭示了其他望遠鏡無法探測到的衛星表面細節。

這項研究中的四顆衛星——天衛一 (Ariel)、天衛二 (Umbriel)、天衛三 (Titania) 和天衛四 (Oberon)——被天王星潮汐鎖定，因此它們總是朝向天王星的同一側。衛星朝向行進方向的一側稱為前半球，而朝向后方的一側稱為后半球。其原理是，沿著磁場線捕獲的帶電粒子主要撞擊衛星的后半球，從而使該半球變暗。

這張天王星及其五顆經典衛星——天衛三、天衛四、天衛七、天衛八和天衛九——的照片由哈勃太空望遠鏡的先進巡天照相機 (ACS) 拍攝。圖中顯示了比例尺、羅盤箭頭和色標以供參考。比例尺頂部以英里為單位，底部以公里為單位。北向和東向的羅盤箭頭指示了圖像在天空中的方向。需要注意的是，天空中北向和東向的關系（從下方看）相對于地面地圖上的方向箭頭（從上方看）是翻轉的。這張圖片顯示了已轉換成可見光顏色的可見光波長。色標顯示了收集光線時使用了哪種 ACS 濾光片。每個濾光片名稱的顏色是用于表示穿過該濾光片的光線的可見光顏色。圖片來源：NASA、ESA、STScI、Christian Soto (STScI)

“天王星很奇特，所以它磁場與其衛星的實際相互作用程度一直不確定，”約翰·霍普金斯大學應用物理實驗室的首席研究員理查德·卡特賴特解釋說。“首先，它相對于黃道傾斜了98度。”

這意味著天王星相對于行星的軌道平面發生了劇烈傾斜。它以非常緩慢的側向速度繞太陽運行，完成其84年地球周期的公轉。

“旅行者2號飛掠天王星時，天王星的磁層與衛星軌道平面的傾斜度約為59度。因此，磁場存在額外的傾斜，”卡特賴特解釋道。

由于天王星及其磁場線的自轉速度比其衛星繞天王星公轉的速度快，磁場線會不斷掠過其衛星。如果天王星的磁層與其衛星發生相互作用，帶電粒子應該會優先撞擊其后方側的表面。

這些帶電粒子，以及我們銀河系的宇宙射線，應該會使天衛一、天衛二、天衛三和天衛四的后半球變暗，并可能產生在這些衛星上探測到的二氧化碳。研究小組預計，尤其是對于內側衛星天衛一和天衛三而言，后半球在紫外線和可見光波段會比前半球更暗。

但他們的發現并非如此。相反，天衛一和天衛二的前半球和后半球的亮度實際上非常相似。然而，研究人員確實觀察到了兩顆外側衛星——天衛三和天衛四——的半球之間存在差異——這與他們預期的衛星不同。

更奇怪的是，亮度差異與他們預期的完全相反。這兩顆外側衛星的前半球比后半球更暗、更紅。研究小組認為，天王星一些不規則衛星的塵埃覆蓋了天衛三和天衛四的前半球。

不規則衛星是指相對于其母行星赤道平面，軌道偏心率較大且傾斜的自然天體。微隕石不斷撞擊天王星不規則衛星的表面，將小塊物質拋射到環繞天王星的軌道上。

數百萬年來，這些塵埃物質向內移動到天王星，最終穿過天衛三和天衛四的軌道。這些外層衛星掃過塵埃，主要在它們面向前方的前半球上拾取塵埃。這就像你在高速公路上行駛時，蟲子撞到汽車擋風玻璃一樣。

這種物質使得天衛三和天衛四的前半球顏色更深、顏色更紅。這些外層衛星有效地遮擋了內層衛星天衛一和天衛二免受塵埃的影響，因此內層衛星的半球亮度沒有差異。

“我們在土星系統，甚至木星系統也發現了同樣的現象，”太空望遠鏡科學研究所的聯合研究員布萊恩·霍勒說道。“這是我們首次發現天王星衛星之間存在類似物質交換的證據。”

“所以這支持了一種不同的解釋，”卡特賴特說。“這就是積塵。我甚至沒想到會提出這個假設，但你知道，數據總是會讓你感到驚訝。”

基于這些發現，卡特賴特和他的團隊懷疑天王星的磁層可能相當平靜，或者可能比之前認為的更為復雜。也許天王星的衛星與磁層之間確實存在相互作用，但由于某種原因，它們并沒有像研究人員猜測的那樣導致前后半球的不對稱。答案需要對神秘的天王星、它的磁層及其衛星進行進一步研究。

為了觀測天王星四顆最大衛星的亮度，研究人員需要哈勃望遠鏡獨特的紫外線觀測能力。由于地球大氣層的保護作用，在地面上觀測紫外線目標是不可能的。目前沒有其他太空望遠鏡擁有與哈勃望遠鏡相當的紫外線視野和清晰度。

“哈勃望遠鏡擁有紫外波段的能力，是唯一能夠驗證我們假設的設施，”太空望遠鏡科學研究所的克里斯蒂安·索托說道，他負責了大部分數據的提取和分析。索托于6月10日在阿拉斯加安克雷奇舉行的第246屆美國天文學會會議上公布了這項研究的結果。

美國宇航局詹姆斯韋伯太空望遠鏡的補充數據將有助于更全面地了解天王星衛星系統及其與該行星磁層的相互作用。

哈勃太空望遠鏡在地球上空的圖像。圖片來源：ESA/Hubble (M. Kornmesser & LL Christensen)

哈勃太空望遠鏡是人類歷史上最具標志性和成就卓著的天文臺之一，它已運行三十多年，不斷革新我們對宇宙的認知。哈勃望遠鏡于1990年發射升空，幾乎在天文學的各個領域都取得了突破性的發現——從揭示宇宙膨脹速度，到捕捉到遙遠星系、星云和系外行星的壯麗圖像。

哈勃望遠鏡是美國國家航空航天局（NASA）與歐洲航天局（ESA）國際合作的旗艦項目。它由位于馬里蘭州格林貝爾特的NASA戈達德太空飛行中心管理，位于丹佛的洛克希德·馬丁太空公司負責支持任務運行。位于巴爾的摩的太空望遠鏡科學研究所由美國大學天文研究協會（AURA）運營，負責監督該望遠鏡的科學活動，支持世界各地的研究人員探索太空的奧秘。

盡管年事已高，哈勃望遠鏡仍然是一項重要的科學資產，它提供了地面望遠鏡因地球大氣干擾而無法比擬的高分辨率紫外、可見光和近紅外觀測數據。它的持久遺產不僅在于其數據，更在于它對太空科學和公眾想象力持續產生的深遠影響。

太空望遠鏡科學研究所 (STScI) 是首屈一指的太空天文學中心，致力于通過運營 NASA 一些最重要的天文臺來拓展我們對宇宙的理解。STScI 位于馬里蘭州巴爾的摩，是哈勃太空望遠鏡的科學運營中心、詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的科學和任務運營中心，以及即將投入使用的南希·格雷斯·羅曼太空望遠鏡的科學運營中心。

除了監督任務科學外，STScI還管理著芭芭拉·A·米庫爾斯基太空望遠鏡檔案（MAST）。該檔案由NASA資助，為全球天文學界提供海量太空數據。MAST是哈勃、韋伯、羅曼、開普勒、K2和TESS等關鍵任務的官方數據存儲庫。

STScI 由大學天文研究協會 (AURA) 運營，在支持天文發現、任務規劃、數據分析和社區參與方面發揮著至關重要的作用，是人類一些最強大的太空望遠鏡背后的科學引擎。

編譯自/ScitechDaily