韋伯望遠鏡首次捕捉海王星極光 發現三氫離子

過去30多年來，科學家利用上層大氣中的三氫陽離子（H³⁺）發射現象，研究木星、土星和天王星與周圍太空環境的全球性互動，從而揭示極光形成的過程。然而，儘管多次嘗試，且理論模型預測其存在，這個離子在海王星上一直難以被偵測到。如今，藉助NASA/ESA/CSA詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的觀測，天文學家不僅成功偵測到海王星上的三氫陽離子，還捕捉到其獨特的紅外線南極光。

這張由NASA/ESA哈伯太空望遠鏡和詹姆斯·韋伯太空望遠鏡資料合成的影像，顯示了海王星上的極光活動（青色斑塊）。影像來源：NASA / ESA / CSA / STScI / Heidi Hammel, AURA / Henrik Melin, 諾桑比亞大學 / Leigh Fletcher, 萊斯特大學 / Stefanie Milam, NASA-GSFC。

「過去，天文學家曾發現海王星上極光活動的誘人線索，」諾桑比亞大學天文學家Henrik Melin及其同事表示，「然而，儘管在木星、土星和天王星上成功偵測到極光，海王星上的極光影像和確認卻一直難以實現。」

「在太陽系巨行星的極光偵測中，海王星一直是缺失的一塊拼圖。」

在這項研究中，作者分析了2023年6月韋伯望遠鏡的近紅外光譜儀（NIRSpec）所獲得的資料。除了行星的影像，天文學家還獲得了光譜，用以分析海王星上層大氣（電離層）的組成並測量其溫度。他們發現了一條極為顯著的發射線，證實了三氫陽離子的存在。

「在韋伯拍攝的海王星影像中，發光的極光以青色斑塊呈現，」天文學家表示，「海王星上的極光活動與我們在地球、木星或土星上看到的截然不同。這些極光並非集中在行星的南北極，而是位於地理中緯度區域——類似於地球上的南美洲位置。」

「這是由於海王星磁場的特殊性質所致。1989年NASA的航海家2號首次發現，海王星的磁場與其自轉軸傾斜了47度。由於極光活動發生在磁場匯聚進入大氣層的位置，海王星的極光遠離其自轉極。」

「這項突破性的海王星極光偵測，將幫助我們理解海王星的磁場如何與從太陽流出的粒子相互作用，為冰巨行星的大氣科學開啟了一扇全新的視窗。」

研究人員還首次測量了海王星大氣頂層的溫度，這是自航海家2號飛掠以來的首次測量。他們的結果暗示了為何海王星的極光長期未被發現：海王星的上層大氣已冷卻了數百度。

多年來，天文學家根據航海家2號記錄的溫度預測了海王星極光的強度。「大幅降溫會導致極光變得更加微弱，」科學家表示，「這種低溫可能是海王星極光長期未被偵測到的原因。這種劇烈的冷卻也表明，儘管海王星距離太陽比地球遠30多倍，其大氣層的這一區域仍可能發生巨大變化。」

這項研究結果已發表於《自然天文學》期刊。

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H. Melin et al. Discovery of H³⁺ and infrared aurorae at Neptune with JWST. Nat Astron, published online March 26, 2025; doi: 10.1038/s41550-025-02507-9