解開宇宙奧祕的關鍵！回顧哈伯望遠鏡外行星大氣觀測十年成果

1989 年 NASA 航海家二號探測器飛掠海王星，完成人類對太陽系四大外行星的首次近距離探索。1977 年航海家一號與二號發射後，兩艘探測器揭示木星、土星、天王星與海王星的複雜性，遠超過科學家預期，顯示這些行星仍有無數未解之謎等待發掘。

之後哈伯太空望遠鏡上線開啟外行星觀測新篇章，經由「外行星大氣層長期觀測計畫」，哈伯對木星、土星、天王星和海王星的大氣長期觀測，深入研究大氣動態與演化。觀測揭示航海家未能呈現的更多細節。計畫即將迎接十週年，為科學界研究行星動態與演化的重要里程碑。哈伯高解析度影像清晰度媲美航海家近距離觀測成果，涵蓋從紫外線到近紅外線廣泛波段，為唯一長期穩定以高解析度追蹤外行星大氣運動與雲層顏色變化的望遠鏡，哈伯為研究外行星的氣象與氣候系統運作機制提供無可取代的資料。

木星、土星、天王星與海王星的大氣層深厚且無固態表面，大氣湍流形成獨特天氣系統，包括色彩斑斕的雲帶和持續多年的大型風暴。此外，這些行星的季節變化長達數十年。近年詹姆斯韋伯太空望遠鏡以更強大紅外線觀測，對這些行星的大氣層更深入探測，補充哈伯的觀測成果，使科學家更精確追蹤這些行星複雜的動態氣候系統。同時，這些研究也幫助我們了解太陽對太陽系行星氣候的影響，並為研究其他恆星系統的類似行星提供重要參考。

自「外行星大氣層長期觀測計畫」啟動，十年間資料庫持續擴展，成為科學家追蹤行星繞太陽運行過程大氣層長期變化的重要資源，為未來行星氣候與天氣研究奠定堅實基礎。以下是哈伯「外行星大氣層長期觀測計畫」十年來的亮點。

木星

木星的雲帶形狀與色彩千變萬化，變幻不定。表面有劇烈天氣現象，包括氣旋、反氣旋、風切變，以及太陽系最大的風暴「大紅斑」。木星大氣層深達數萬公里，表面覆蓋由氨冰晶構成的雲層。哈伯持續觀測能精準追蹤雲層動態，測量風速、風暴與渦流，並持續監測大紅斑大小、形狀與行為變化。哈伯觀測顯示，大紅斑體積持續縮小，但風速卻在增加。

▲「外行星大氣層長期觀測計畫」拍攝的木星影像，記錄時間演化。

與地球不同，木星自轉軸的傾角僅約3°，通常不會出現明顯季節變化。然木星繞太陽公轉時距離會有約5%變化，12年軌道週期仍可能出現些微季節效應。哈伯密切監測木星大氣層，深入研究這些變化。

監測木星方面，哈伯相較地表天文台更有優勢。地面望遠鏡無法連續觀測木星完整兩個自轉週期（約20小時），因地球白天會中斷觀測，需等到晚上才能再次觀測木星。哈伯高解析度和全天候觀測，為了解木星大氣動態提供關鍵資料。

▲ 左為接近人眼可見色彩真實影像，右為波長範圍擴展至可見光之外，涵蓋紫外線與紅外線範圍，都能呈現鮮明的木星表面特徵。

土星

哈伯太空望遠鏡9月12日最新影像顯示，土星北半球顏色變化迅速明顯，延續卡西尼號探測器檢測到的趨勢。哈伯長時間觀測也發現標誌性六邊形風暴（航海家二號1981年首次發現）2020年一度模糊，但2021年觀測再次清晰。哈伯捕捉到南半球冬季後景象，顯示南極持續呈藍色調。這些觀測使研究員追蹤土星季節性變化，並精確辨識帶狀區域的細微變化。精細程度是地面望遠鏡難以達成。

▲ 每格用不同濾鏡拍攝的土星影像，每種濾鏡組合均突出雲層高度或成分的細微差異。

土星繞太陽公轉需29年，自2018年卡西尼號任務結束後，哈伯已追蹤約四分之一土星年。自轉軸傾斜26.7°，土星季節變化明顯，每季節約七年。哈伯觀測不僅解析土星環系統，還記錄環幾乎「消失」的現象，約每15年厚度僅約10公尺的環邊緣會朝向地球，使環幾乎消失，2025年3月會再次出現。

▲ 2018~2024年拍攝的一組土星影像，展示隨土星繞太陽公轉，土星環系統相對地球視角的傾斜角度如何改變。約每15年厚度僅約10公尺的土星環邊緣會朝著地球，使環幾乎消失，2025年3月會再次出現。

土星環的暗色輻射狀條紋是種與環系統一起旋轉的短暫特徵，僅環繞兩到三圈期間可見。1981年由航海家二號首次發現，卡西尼號執行任務時多次記錄到這些條紋的活動。哈伯觀測顯示，條紋出現頻率與土星季節變化有關，數量和對比度會隨季節變化。

哈伯長期觀測延續航海家與卡西尼研究，揭示土星環系統與大氣動態更多細節，為探索土星季節性與環系統演化提供關鍵資料。

天王星

哈伯太空望遠鏡10月25日拍攝天王星影像，突顯北極增亮現象。北半球進入春季後，紫外線輻射增強使極地區域更明亮。天王星自轉軸幾乎平躺在軌道平面，繞太陽公轉需84年，導致有極端季節變化，半球之一會長達42年無法看到陽光。哈伯正在追蹤北極，逐漸朝向太陽，伴隨風暴與甲烷冰晶雲出現。哈伯長期觀測為天文學家深入研究天王星的環系統與大氣動態提供重要數據。

▲ 2014與2022年拍攝的天王星影像，捕捉北半球的春季。太陽紫外線輻射增加似乎使極地區域更明亮。（Source：HubbleSite）

海王星

1989年航海家二號飛掠海王星時，發現大氣有個約大西洋大小的巨大黑斑，引發天文學家對是否類似木星大紅斑長久現象的猜測。1994年哈伯太空望遠鏡觀測證實，黑色風暴是短暫的，通常兩至六年內形成並消散。哈伯記錄到一個黑斑消散過程及另一個黑斑完整生命週期，這些風暴通常向赤道移動後消失。持續觀測讓天文學家追蹤黑斑出現與演化。近期9月7日觀測，天文學家發現一個大黑斑依然在，軌跡從向赤道移動轉為逆向。同時北半球有變暗現象，南極周圍則出現明顯的暗色細長圓環。