天文学家发现天王星几十年来神秘地一直在降温
在天王星磁极附近探测到两条明亮的极光带，同时在两带之间部分区域的发射和离子密度降低（这一特征很可能与磁力线的转变有关）。图片来源：uux.cn欧洲航天局/韦伯、NASA、CSA、STScI、P. Tiranti、H. Melin、M. Zamani。
（神秘的地球uux.cn）据今日科学新闻：几个世纪以来，天王星在我们理解中漂浮着，视为一个遥远、苍白的世界——冰冷、倾斜且神秘。天文学家可以测量它的轨道，窥见它的风暴，并探测其奇异的磁场。但星球的一部分几乎完全隐藏：它的上层大气区，位于云层之上，温度、带电粒子和磁力以前所未有的方式跳跃，前所未有地详细绘制。
现在，国际天文学家团队首次揭开了那层无形的屏障。他们利用詹姆斯·韦伯太空望远镜及其强大的近红外望远镜，创造了迄今为止最详细的天王星高层大气肖像——揭示了温度和带电粒子如何随高度变化，以及这颗行星异常磁场如何塑造其发光极光。
这些成果发表在《地球物理研究快报》上，标志着我们对这颗遥远冰巨行星理解的转折点。
看着行星转动
2025年1月19日，团队将韦伯指向天王星并观察。望远镜持续了15小时，几乎绕地球一圈，从云顶上方收集到微弱的光信号。这些都不是明亮、显眼的特征。它们是分子在数千公里高空稀薄空气中发出的微弱光芒。
这些观测是JWST通用观测员5073项目的一部分，由诺森比亚大学的H. Melin领导。但正是来自英国诺森比亚大学的保拉·蒂兰蒂领导了将这些微妙信号转化为前所未有之物的努力：天王星高层大气的三维地图。
“这是我们第一次能够以三维方式观测天王星的上层大气，”提兰蒂解释道。得益于韦伯非凡的灵敏度，团队能够追踪能量如何向上穿透行星大气层，甚至探测到其不平衡磁场的影响。
天王星首次不再只是望远镜中的一个平面盘。它有深度。
攀升到云层之上五千公里
团队探索的区域延伸至天王星云顶上方5000公里。这个高空领域被称为电离层，大气被电离，并与行星磁场强烈相互作用。在这里，原子和分子可以失去或获得电子，变成带电粒子，响应看不见的磁力。
通过仔细分析韦伯的数据，研究人员绘制了不同高度离子的温度和密度。
他们发现的情况并不统一也不简单。
高空大气温度在云层上方3000至4000公里之间达到最高点。与此同时，离子密度——带电粒子的浓度——在约1000公里处达到最大值。
这些测量显示出层次丰富且动态的结构。热量和带电粒子分布不均匀。相反，它们会随着高度甚至经度变化，在行星上以直接与磁场相关的方式移动。
这不仅仅是一张快照。它是一个活生生、有呼吸的行星系统的垂直剖面。
一个仍在冷却的世界
数据中还隐藏着另一个惊喜。
天王星的高层大气仍在冷却。
团队测得的平均温度约为426开尔文，约150°C。这听起来可能非常热，但在天王星高层大气的背景下，它比早期地面望远镜和航天器记录的数值还要冷。
事实上，降温趋势似乎始于1990年代初，并持续至今。韦伯的测量结果证实，这种持续数十年的下降仍在继续。
这种持续的温度下降引发了关于天王星如何分配和流失能量的更深层问题。像天王星这样的冰巨行星的行为并不完全像气态巨行星，理解热量如何在它们的大气中流动对于理解它们的本质至关重要。
几十年来，科学家们只能猜测。现在他们有了直接证据。
极光的奇异舞蹈
也许最引人注目的发现是天王星的极光——当带电粒子在磁极附近与大气相撞时出现的发光带。
韦伯探测到天王星磁极附近有两条明亮的极光带。但故事并未就此结束。
在这些发光区域之间，研究人员发现发射和离子密度明显下降——一个暗区，预期的发光和带电粒子明显减少。这一特征很可能与行星磁力线的转变有关。
类似的暗区也在木星被观测到，磁场的几何形状控制着带电粒子如何在高层大气中传播。在天王星上，这种模式似乎是由某种更奇特的东西塑造的。
天王星的磁层是太阳系中最不寻常的磁层之一。它的磁场与行星自转轴既倾斜又偏移。这意味着极光并不会简单地停留在两极。相反，它们以复杂且不断变化的图案扫过表面。
韦伯现已揭示了这些磁效应渗透的深度。该场不仅塑造了大气顶端的极光;它影响云层上方数千公里处温度和离子密度的垂直结构。
磁场会在各处留下指纹。
看到能量的运动
通过这些观测，科学家们现在可以追踪能量如何向上流动，穿过天王星的大气层。热量上升。带电粒子会移动。磁力扭曲并引导它们。
数据中观测到的纵向变化——地球不同区域的变化——直接关联于磁场的复杂几何形态。高层大气并非静止不变。它不断响应磁场变化。
通过绘制这些变化，团队提供了迄今为止最清晰的天王星能量分布图。
这比表面看起来更重要。
为什么这一发现重要
天王星被归类为冰巨行星，这是一种不同于地球等岩石世界和木星等气态巨行星的行星类型。理解能量如何在大气中流动，对于理解冰巨行星的独特性至关重要。
通过揭示天王星上层大气的详细垂直结构，韦伯为科学家提供了研究这颗行星以及类似行星的新工具。
这些发现被描述为表征太阳系外巨行星的关键一步。许多围绕遥远恒星发现的世界在大小和成分上与天王星相似。然而直到现在，即使是我们附近的例子也只是部分被理解。
如果我们无法完全解释天王星的能量平衡，又如何希望解读绕其他太阳运行的遥远行星的大气层？
这项研究改变了这一点。它提供了温度、离子密度和极光结构的真实测量。它证实天王星仍在冷却。它展示了倾斜、偏移的磁场如何在三维空间中塑造高层大气。
通过这样做，它将天王星从一个遥远的谜团转变为理解行星物理的实验室。
几十年来，这颗行星的高层大气一直是一块看不见的边疆。现在，多亏了詹姆斯·韦伯太空望远镜的灵敏度和NIRSpec的高精度，我们终于能看到这个奇异世界如何呼吸、冷却和发光。
在绘制天王星隐形高度的地图上，天文学家迈出了决定性一步，不仅理解了一颗行星，更是揭示了巨行星如何管理宇宙能量的更广泛故事。
研究详情
Paola I. Tiranti等人，JWST发现天王星电离层的垂直结构，《地球物理研究快报》（2026年）。DOI：10.1029/2025GL119304
