海王星位於太陽系外緣寒冷、黑暗的區域，距離太陽約30 億英里，位於行星陣列的最遠邊緣。至今僅有一艘人造太空船曾經飛過：美國太空總署1989 年發射的旅客2號。從那時起，哈伯望遠鏡就一直在遠處進行觀測，追蹤海王星的動態天氣，甚至在2013 年發現了一顆新衛星。

美國太空總署的詹姆斯韋伯太空望遠鏡終於捕捉到了海王星難以捉摸的極光，其細節令人驚嘆。利用其強大的紅外線能力，科學家們探測到了前所未有的極光活動——出現在海王星的中緯度地區，而不是兩極。這奇怪的位置是由於海王星磁場傾斜度很大。圖片來源：諾斯羅普格魯曼

海王星通常被視為一顆寧靜的藍色球體，偶爾會出現毫無徵兆的黑點。但現在，美國太空總署的詹姆斯韋伯太空望遠鏡發現了一些全新的事物：一個明亮、發光的極光在海王星大氣層中閃閃發光，首次以令人驚嘆的紅外線細節捕捉到。

左側是NASA 哈伯太空望遠鏡拍攝的海王星增強色影像。右側是該影像與NASA 詹姆斯韋伯太空望遠鏡的數據結合而成。青色斑點代表極光活動，白色雲層是韋伯近紅外光譜儀(NIRSpec) 的數據，疊加在哈伯廣角相機3 拍攝的行星完整影像之上。極光發生在高能量粒子（通常來自太陽）被困在行星磁場中並最終撞擊上層大氣時。這些碰撞過程中釋放的能量產生了標誌性的輝光。圖片來源：NASA、ESA、CSA、STScI、Heidi Hammel（AURA）、Henrik Melin（諾森比亞大學）、Leigh Fletcher（萊斯特大學）、Stefanie Milam（NASA-GSFC）

美國太空總署的詹姆斯韋伯太空望遠鏡首次清晰地捕捉到海王星上明亮的極光。極光的形成是因為高能量粒子（通常來自太陽）被行星的磁場捕獲，並與行星的高層大氣相撞，產生耀眼的光芒。

天文學家先前曾在海王星上看到極光活動的跡象，包括1989 年美國太空總署的旅行者2 號飛掠海王星時。但與木星、土星和天王星不同，海王星的極光一直無法確認和成像，這使得海王星成為最後一顆沒有這種現象直接證據的巨行星。

「事實證明，只有藉助韋伯望遠鏡的近紅外線靈敏度，才有可能真正對海王星上的極光活動進行成像，」這項研究的主要作者、諾森比亞大學的亨里克·梅林(Henrik Melin) 說，他在萊斯特大學期間進行了這項研究。 “不僅能看到極光，而且其特徵的細節和清晰度也讓我震驚。”

這些數據是2023 年6 月使用韋伯近紅外光譜儀獲得的。除了行星圖像外，天文學家還獲得了光譜，以表徵行星上層大氣（電離層）的成分並測量其溫度。他們首次發現了一條極為突出的發射線，顯示存在三氫陽離子(H 3 + )，這種陽離子可以在極光中產生。在韋伯拍攝的海王星影像中，發光的極光以青色斑點的形式出現。

這張由美國太空總署詹姆斯韋伯太空望遠鏡的NIRCam（近紅外線相機）拍攝的木星圖像在紅外光下展示了這顆雄偉行星的驚人細節。在這張圖片中，亮度表示海拔較高。眾多明亮的白色「斑點」和「條紋」很可能是凝聚對流風暴的高海拔雲頂。極光在這張圖片中以紅色出現，延伸到行星北極和南極上方的較高海拔。相較之下，赤道地區北部的暗帶幾乎沒有雲層覆蓋。在韋伯2022 年7 月拍攝的木星圖像中，研究人員最近發現一條以每小時320 英里（每小時515 公里）的速度行駛的狹窄急流位於木星赤道上空的主要雲層上方。圖片來源：NASA、ESA、CSA、STScI、Ricardo Hueso（UPV）、Imke de Pater（加州大學柏克萊分校）、Thierry Fouchet（巴黎天文台）、Leigh Fletcher（萊斯特大學）、Michael H. Wong（加州大學柏克萊分校）、Joseph DePasquale（STScI）

「H 3 +是所有氣態巨行星（木星、土星和天王星）極光活動的明顯標誌，多年來，我們利用現有的最佳地面設施對海王星進行了研究，預計也會在海王星上看到同樣的現象，」天文學研究大學協會的海蒂·哈默爾(Heidi Hammel) 解釋道，她是獲得跨學科科學家，也是獲得數據跨學科的保證人。 “只有借助韋伯這樣的機器，我們才能最終得到證實。”

海王星上看到的極光活動也與我們在地球上看到的，甚至在木星（見上圖）或土星（見下圖）上看到的極光活動有明顯不同。海王星的極光並不局限於該星球的北極和南極，而是位於該星球的地理中緯度——想想地球上南美洲的位置。

這是由於海王星磁場的奇特性質所致，該磁場最初由旅行者2 號於1989 年發現，與行星自轉軸傾斜47 度。由於極光活動發生在磁場匯聚到行星大氣層的地方，因此海王星的極光遠離其自轉極點。

這些土星極光的影像是由NASA 的哈伯太空望遠鏡於2005 年1 月24 日、26 日和28 日拍攝的。這三張土星影像均結合了南極地區的紫外線影像（以顯示極光輻射）和行星及其環的可見光波長影像。哈伯影像是在與NASA 的卡西尼號太空船聯合測量接近土星的太陽風和土星千米無線電輻射時獲得的。 1 月26 日極光的強烈增亮與最近太陽風的大規模擾動相吻合。圖片來源：NASA/Hubble/Z. Levay 和J. Clarke

海王星極光的突破性探測將幫助我們了解海王星磁場如何與從太陽流向太陽系遙遠區域的粒子相互作用，這是冰巨星大氣科學的一個全新窗口。

透過韋伯觀測，研究團隊也首次測量了自旅行者2 號飛越以來海王星大氣層頂部的溫度。結果暗示了為何海王星的極光如此長時間未被天文學家發現。

「我非常驚訝——海王星的高層大氣溫度已經降低了幾百度，」梅林說。 “事實上，2023 年的溫度僅為1989 年的一半多一點。”

多年來，天文學家一直根據旅行者2 號記錄的溫度來預測海王星極光的強度。溫度大幅降低會導致極光變得更加暗淡。這種低溫可能是海王星極光如此長時間未被發現的原因。急劇的冷卻也表明，儘管海王星與太陽的距離是地球的30 倍以上，但大氣層的這一區域可能會發生巨大變化。

有了這些新發現，天文學家現在希望利用韋伯望遠鏡研究海王星的整個太陽週期，也就是由太陽磁場驅動的11 年活動期。研究結果可以深入了解海王星奇特磁場的起源，甚至可以解釋其傾斜度如此之大的原因。

「當我們展望未來並夢想著未來對天王星和海王星的探測任務時，我們現在知道，擁有能夠適應紅外線波長的儀器對於繼續研究極光有多麼重要，」論文合著者、萊斯特大學的利·弗萊徹補充道。 「這座天文台終於打開了一扇窗戶，讓我們得以看到這扇窗戶， …

這些觀測由弗萊徹領導，是哈默爾保證時間觀測計畫1249 的一部分。該團隊的研究成果已發表在《自然天文學》雜誌上。

編譯自/ ScitechDaily