從2014年到2024年，NASA和歐空局的哈伯太空望遠鏡一直在透過一項名為OPAL（外行星大氣遺產）的計畫對外行星進行觀測。 這項計畫的重點是追蹤木星、土星、天王星和海王星，研究它們的大氣動力學和長期演變。 哈伯捕捉高解析度穩定影像的獨特能力使科學家能夠持續監測雲層模式、風暴活動和大氣運動。 這些觀測為更好地了解這些遙遠世界複雜的天氣和氣候系統提供了重要數據。

這是哈伯太空望遠鏡拍攝的太陽系四大外行星的蒙太奇照片： 木星、土星、天王星和海王星，每顆行星都以增強色彩顯示。 這些影像的拍攝歷時近10 年，從2014 年到2024 年。 這樣長的基線使天文學家能夠追蹤每顆行星湍流大氣層的季節性變化，其清晰度可媲美美國宇航局20 世紀80 年代的行星飛越探測器。 這些影像是在一項名為OPAL（外行星大氣遺產）的計劃下拍攝的。 資料來源：NASA、ESA、Amy Simon（NASA-GSFC）、Michael H. Wong（加州大學柏克萊分校）、Joseph DePasquale（STScI）

明亮的行星木星和土星在天際遊蕩，羅馬人以它們最強大的神命名它們。 幾個世紀後，在17 世紀和18 世紀，人們透過望遠鏡發現了土星以外的另外兩顆行星。 它們分別以希臘天王星和羅馬海王星命名。

早期的天空觀測者永遠不會想到，有一天機器人太空船會跋涉數十億英里去探索這些遙遠的世界。 20 世紀80 年代，美國國家航空暨太空總署（NASA）的旅行者號（Voyager）任務提供了令人驚嘆的特寫圖像，吸引了一代人。 但是，這些太空船隻能收集行星數據的短暫快照，就像一輛旅遊巴士在大陸上疾馳。

這時，哈伯太空望遠鏡出現了，接替了這一星際”劉易斯和克拉克”探險隊的工作。 天文學家意識到，外行星遠比想像的複雜得多。 關於它們動盪、多彩、寒冷的大氣層，還有很多東西有待了解。 在旅行者計畫的基礎上，名為OPAL（外行星大氣遺產）的哈伯計畫現在已經獲得了對木星、土星、天王星和海王星整整十年的觀測資料。 哈伯基本上被當作行星間的天氣預報員來研究其他世界的氣象。 這為我們了解地球和銀河系中其他行星的複雜天氣行為提供了新的視角。

這是哈伯太空望遠鏡拍攝的太陽系四大外行星的蒙太奇照片： 木星、土星、天王星和海王星，每顆行星都以增強色彩顯示。 這些影像的拍攝歷時近10 年，從2014 年到2024 年。 這樣長的基線使天文學家能夠追蹤每顆行星動盪大氣層的季節性變化，其清晰度堪比20 世紀80 年代NASA 的行星飛越探測器。從左上角向中間，三張茶色天王星圖像上朦朧的白色極冠隨著天王星接近北部夏季而顯得更加正面。從右中到右遠中，三張藍色海王星影像顯示了雲層隨著太陽輻射水平的變化而來來去去。在OPAL的十年觀測中，海王星上的幾個神秘黑點依序出現和消失。黃褐色土星的七張影像在馬賽克中央呈三角形延伸，OPAL每年觀測一幅，顯示了環面相對於地球視角的傾斜度。 大約每隔15 年就能看到相對較薄的星環（約一英里厚）的邊緣。 2018年，它們接近向地球的最大傾斜度。 隨著天氣的變化，土星雲帶的色彩變化也會跟著改變。底部中央，三張跨越近十年的木星影像組成了一個三角形。 木星的帶狀雲層結構–區域和帶狀雲層–發生了顯著變化。 OPAL 測量到傳說中的大紅斑正在縮小，同時它的自轉週期也在縮短。 資料來源：NASA、ESA、Amy Simon（NASA-GSFC）、Michael H. Wong（加州大學柏克萊分校）、Joseph DePasquale（STScI）

1989 年，美國國家航空暨太空總署的旅行者號任務在遭遇海王星時完成了人類對太陽系四大外行星的首次近距離探索。 自1977 年發射以來，旅行者1 號和旅行者2 號揭示了木星、土星、天王星和海王星遠比科學家預想的要複雜得多。 它們的發現清楚地表明，要了解的東西還很多。

為了繼續這項探索，美國國家航空暨太空總署的哈伯太空望遠鏡啟動了OPAL（外行星大氣遺產）計畫。 OPAL對外行星進行長期觀測，研究它們的大氣動力學並追蹤隨時間發生的變化，從而更深入地了解這些遙遠的世界是如何演變的。

位於馬裡蘭州格林貝爾特的美國宇航局戈達德太空飛行中心的艾米-西蒙（Amy Simon）解釋說：”旅行者號並沒有告訴你全部的情況。”

哈伯望遠鏡的影像清晰度可與旅行者號接近外行星時看到的影像相媲美，而且哈伯望遠鏡的波長跨度從紫外線到近紅外線。 哈伯望遠鏡是唯一能提供高空間解析度和影像穩定性的望遠鏡，可用於對雲的色彩、活動和大氣運動進行持續的全球研究，從而幫助確定天氣和氣候系統的基本機制。

这是一张九幅拼贴画，展示了哈勃在 2015 年至 2024 年 OPAL（外行星大气遗产）计划下拍摄的木星图像，色彩近似真实。 OPAL 跟踪大红斑（GRS）以及木星带状云层结构随时间发生的其他显著变化。 资料来源：NASA、ESA、Amy Simon（NASA-GSFC）、Michael H. Wong（加州大学伯克利分校）、Joseph DePasquale（STScI）

所有四顆外行星都有深厚的大氣層，沒有固體表面。 它們洶湧澎湃的大氣層都有自己獨特的天氣系統，有些有五顏六色的雲帶，有些有神秘的大風暴，這些風暴會突然出現或持續很多年。 在圍繞太陽公轉的過程中，每個星球都有持續多年的季節。 (詹姆斯-韋伯太空望遠鏡（James Webb Space Telescope）的紅外線功能將被用來深入探測外行星的大氣層，以補充OPAL 的觀測）。

追蹤這些複雜的行為就好比了解地球多年來的動態天氣，以及太陽對太陽系天氣的影響。 這四個遙遠的世界也是了解環繞其他恆星運行的類似行星的天氣和氣候的替代物。

行星科學家意識到，哈伯提供的任何一年的數據雖然本身很有趣，但並不能說明外行星的全部情況。 哈伯的”OPAL”計劃每年都會在行星最接近地球的時候對它們進行一次例行訪問，這種排列方式被稱為”對沖”。 這產生了一個巨大的資料檔案庫，與全世界的行星天文學家分享了一系列非凡的發現。

以下是OPAL 團隊十年發現的亮點。

哈伯太空望遠鏡的寬視野相機3 (WFC3) 科學儀器上的光譜濾鏡提供了豐富的資訊。 左圖是使用三個濾光片製作的RGB 合成圖，波長與人眼看到的顏色相似。 右圖中，波長範圍從可見光範圍擴大到紫外線（UV）和紅外線範圍。 人類無法感知這些延伸的波長，但有些動物（如螳螂蝦，其眼睛的功能類似於美國太空總署某些任務中的感測器）能夠偵測到紅外線和紫外線。 結果是一個生動的圓盤，它將吸收紫外線的高空煙霧顯示為橙色（在兩極上空和三個大風暴中，包括大紅斑），將新形成的冰顯示為白色（赤道以北的緊湊風暴羽流）。 包括OPAL 小組在內的天文學家利用這些濾光片（以及其他未在此處顯示的濾光片）來研究雲層厚度、高度和化學成分的差異。 資料來源：NASA、ESA、Amy Simon（NASA-GSFC）、Michael H. Wong（加州大學柏克萊分校）、Joseph DePasquale（STScI）

木星

木星的雲帶呈現千變萬化的萬花筒形狀和色彩。 木星上總是風雨交加：氣旋、反氣旋、風切變，還有太陽系中最大的風暴–大紅斑（GRS）。 木星的大氣層深達數萬英里，上面覆蓋著大量的氨冰晶雲。

哈伯的銳利影像可以追蹤雲層，測量風、風暴和漩渦，此外還可以監測GRS 的大小、形狀和行為。 哈伯追蹤GRS 的大小不斷縮小，但仍然大到足以吞噬地球。 最近，OPAL 數據測量了平流層煙霧”極罩”中出現神秘暗橢圓的頻率–只有在紫外線波長下才能看到。 與地球不同，木星的軸線傾斜度只有3 度（地球為23.5 度）。 木星與太陽的距離在其長達12 年的軌道上大約有6,400 萬公里的變化，因此OPAL 密切監測大氣層的季節性影響。 哈伯的另一個優點是，地面天文台無法連續觀測木星兩圈，因為這加起來長達20 小時。 在這段時間裡，地面天文台將進入白天，直到第二天傍晚才能看到木星。

OPAL的發現也可能為歐空局的木星冰月探測器Juice提供支持，該探測器於2023年4月14日發射升空。 Juice將利用一套遙感、地球物理和現場儀器對木星及其三顆大型含海洋的衛星–木衛三、卡利斯托和歐羅巴–進行詳細觀測。 這項任務將確定這些衛星作為行星天體和可能的棲息地的特徵，深入探索木星的複雜環境，並將更廣泛的木星系統作為整個宇宙中氣體巨行星的原型進行研究。

這是一組哈伯太空望遠鏡拍攝的土星影像，拍攝時間為2018 年至2024 年。 這組圖像顯示了土星圍繞太陽運行時，壯麗的星環系統相對於地球視角的傾斜度是如何變化的。 大約每隔15 年就能看到相對較薄的星環（約一英里厚）的邊緣。 2018 年，它們接近向地球的最大傾斜度。 這些影像是在一項名為OPAL（外行星大氣遺產）的哈伯計畫下拍攝的。

土星

土星繞太陽一周需要29 年多的時間，因此OPAL 對土星的跟踪時間大約為四分之一個土星年（2018 年，在卡西尼飛行任務結束後開始跟踪）。 由於土星傾斜26.7 度，它比木星經歷更深刻的季節變化。 土星的季節大約持續七年。 這也意味著哈伯可以從將近30 度的斜角觀察壯觀的星環系統，看到傾斜的星環邊緣。 從邊緣看，星環幾乎消失了，因為它們相對薄得像紙一樣。 這種情況將在2025 年再次發生。

一系列”沃荷式”的土星影像描繪了多個濾鏡映射到人眼可感知的RGB 顏色上的真實數據。 每個濾光片組合都強調了雲層高度或成分的細微差別。 卡西尼號任務的紅外線光譜顯示，土星的氣溶膠粒子可能比木星上的氣溶膠粒子具有更複雜的化學多樣性。 OPAL計劃透過測量雲層中的微妙模式如何隨時間變化，擴展了卡西尼號的遺產。 資料來源：NASA、ESA、Amy Simon（NASA-GSFC）、Michael H. Wong（加州大學柏克萊分校）、Joseph DePasquale（STScI）

OPAL 追蹤了土星大氣層顏色的變化。 土星大氣顏色的變化首先是由卡西尼軌道器探測到的，但哈伯提供了一個更長的基線。 哈伯發現顏色每年都有細微變化，可能是由雲層高度和風引起的。 觀測到的變化是微妙的，因為OPAL 只覆蓋了土星年的一小部分。 當土星進入下一個季節時，就會發生重大變化。

土星神秘的暗環輻條劃過環面，是與環一起旋轉的短暫特徵。 它們鬼魅般的外觀只能圍繞土星旋轉兩到三圈。 在活躍期，新形成的輻條會不斷增加圖案。 旅行者2 號在1981 年首次看到了它們。 卡西尼號在2017 年結束的長達13 年的任務中也看到了輻條。 哈伯顯示，輻條出現的頻率受季節影響，2021 年首次出現在OPAL 資料中。 長期監測顯示，輻條的數量和對比度都隨土星的季節而變化。

行星怪胎天王星在84 年的軌道上繞著太陽滾動，而不是像地球那樣以更垂直的姿勢旋轉。 天王星有一個奇怪的傾斜的”水平”旋轉軸，與行星軌道平面的夾角僅相差8 度。 最近的一種理論認為，天王星曾經有一顆巨大的衛星，它的重力使天王星不穩定，然後撞上了天王星。 其他的可能性還包括行星形成過程中的巨大撞擊，甚至是巨行星隨著時間的推移而相互產生的共振力矩。 行星傾斜的後果是，在長達42 年的時間裡，一個半球的部分地區完全沒有陽光照射。 當旅行者2 號太空船在20 世紀80 年代造訪時，這顆行星的南極幾乎直指太陽。 哈伯的最新視圖顯示，北極現在正朝著太陽傾斜。 Credit: Science： NASA， ESA， STScI， Amy Simon (NASA-GSFC)， Michael H. Wong (UC Berkeley)， Image Processing： 約瑟夫-德帕斯卡爾（STScI）

天王星

天王星側向傾斜，因此其自轉軸幾乎位於行星軌道的平面上。 這導致這顆行星在繞太陽的84 年中經歷了劇烈的季節變化。 行星傾斜的後果意味著一個半球的部分地區完全沒有陽光，持續時間長達42 年。 OPAL已經追蹤了現在向太陽傾斜的北極。

透過OPAL，哈伯在春分之後首次對天王星進行了成像，此時太陽最後一次直射天王星赤道。 哈伯解析了夏季接近北極時在中北緯出現的多個甲烷冰晶雲風暴。 天王星的北極現在有一層增厚的光化學煙霧，在邊界邊緣附近有幾個小風暴。 哈伯一直在追蹤北極帽的大小，它在逐年變亮。 隨著2028年北方夏至的臨近，北極帽可能會變得更加明亮，並將直接對準地球，從而可以很好地觀測星環和北極。 屆時，星環系統將以正面出現；

這張哈伯太空望遠鏡拍攝的動態藍綠行星海王星快照顯示了一個巨大的黑暗風暴（中上圖）和附近出現的一個較小的黑點（右上圖）。 這個巨大的漩渦比大西洋還要寬，在赤道大氣層的作用下，它正向南漂移，但突然調轉方向，開始向北漂移。 資料來源：NASA、ESA、STScI、MH Wong（加州大學柏克萊分校）、LA Sromovsky 和PM Fry（威斯康辛大學麥迪遜分校）

海王星

1989 年，當旅行者2 號飛越海王星時，天文學家對大氣層中若隱若現的一個大西洋大小的巨大黑斑感到非常神秘。 它像木星的大紅斑一樣長壽嗎？ 這個問題一直沒有答案，直到哈伯在1994 年證明，這種暗風暴是短暫的，出現後又消失，每個暗風暴的持續時間為2 到6 年。 在OPAL 計畫期間，哈伯看到了一個暗斑的結束和第二個暗斑的整個生命週期–這兩個暗斑在消散前都向赤道遷移。 OPAL 計劃確保天文學家不會再錯過另一個黑點。

哈伯觀測發現了海王星雲量變化與11 年太陽週期之間的關聯。 它所接受的陽光強度大約是地球的0.1%。 然而，海王星的全球多雲天氣似乎受到太陽活動的影響。 海王星的四季（每個季節大約持續40 年）是否也起了作用？ 如果OPAL 計劃繼續在哈伯望遠鏡上運行到2179 年，我們也許就會知道了！

哈伯太空望遠鏡已經運行了三十多年，並不斷取得突破性的發現，這些發現形成了我們對宇宙的基本認識。 哈伯望遠鏡是美國國家航空暨太空總署（NASA）和歐空局（European Space Agency）的國際合作計畫。 美國太空總署位於馬裡蘭州格林貝爾特的戈達德太空飛行中心負責管理望遠鏡和任務運作。 位於丹佛的洛克希德-馬丁航太公司也為戈達德的任務運作提供支援。 位於巴爾的摩的太空望遠鏡科學研究所由天文學研究大學協會運營，為美國國家航空暨太空總署進行哈伯科學運營。

編譯自/ ScitechDaily