新图像揭示海王星和天王星的真实面貌 两者颜色要接近得多

旅行者 2 号分别于 1986 年和 1989 年飞越天王星和海王星后不久发布的旅行者 2 号/ISS 图像，与本研究中重新处理的单个滤镜图像进行比较，以确定这些行星真实颜色的最佳估计值。资料来源：Patrick Irwin。

他和他的团队发现，尽管人们普遍认为海王星是深蔚蓝色的，而天王星则是淡青色的，但实际上这两个世界都是类似的青绿色。

天文学家早就知道，这两颗行星的大多数现代图像并不能准确反映它们的真实颜色。产生这种误解的原因是，20 世纪拍摄的这两颗行星的图像--包括美国国家航空航天局的旅行者 2 号任务（唯一飞越这两个世界的航天器）都记录了不同颜色的图像。

这些单色图像后来被重新组合成彩色合成图像，但这些图像并不总是能达到"真实"色彩图像的精确平衡，尤其是海王星的图像往往"太蓝"。

此外，旅行者 2 号早期拍摄的海王星图像经过了强烈的对比度增强处理，以更好地揭示云层、条带和风，从而形成了我们对海王星的现代视角。

欧文教授说："虽然我们熟悉的旅行者 2 号天王星图像是以更接近'真实'色彩的形式发布的，但海王星的图像实际上是经过拉伸和增强的，因此被人为地做得太蓝了。尽管当时行星科学家们都知道这种人为饱和的颜色，而且发布的图像还附有说明，但随着时间的推移，这种区别已经消失了。将我们的模型应用到原始数据中，我们已经能够最准确地再现海王星和天王星的颜色。"

2015-2022年HST/WFC3观测到的天王星。在这个序列中，北极的绿色较浅，向太阳和地球的方向摆动。在这些图像中，赤道和位于 35N 和 35S 的纬线被标注出来。资料来源：Patrick Irwin

在这项新研究中，研究人员使用了哈勃太空望远镜的太空望远镜成像摄谱仪（STIS）和欧洲南方天文台甚大望远镜上的多单元光谱探测器（MUSE）提供的数据。在这两种仪器中，每个像素都是一个连续的彩色光谱。

这意味着 STIS 和 MUSE 的观测数据可以通过明确的处理来确定天王星和海王星的真实表观颜色。研究人员利用这些数据重新平衡了旅行者 2 号相机和哈勃太空望远镜的宽视场相机 3（WFC3）记录的复合彩色图像。

结果显示，天王星和海王星实际上是相当相似的青绿色。主要区别在于海王星多了一丝蓝色，模型显示这是因为该行星上的霾层较薄。

这项研究还为天王星的颜色在其 84 年的太阳运行轨道上为何会发生轻微变化这一长期谜团提供了答案。亚利桑那州洛厄尔天文台（Lowell Observatory）在 1950-2016 年期间用蓝色和绿色波长记录了天王星的亮度，作者们首先比较了天王星的图像和亮度测量结果，然后得出了结论。

这些测量结果表明，天王星在冬至（即夏季和冬季）时显得更绿一些，此时行星的两极之一正对着我们的恒星。但在春分时节--当太阳在赤道上空时，天王星的颜色会更蓝一些。

众所周知，造成这种现象的部分原因是天王星的自转非常不寻常。它在轨道上几乎是侧着旋转的，这意味着在行星的至日时，它的北极或南极几乎直接指向太阳和地球。作者说，这一点非常重要，因为极区反射率的任何变化都会对从地球上看天王星的整体亮度产生很大影响。

天文学家们不太清楚的是，这种反射率是如何或为何不同的。这促使研究人员建立了一个模型，将天王星极区和赤道区的光谱进行比较。研究发现，两极地区在绿色和红色波长上的反射率要高于蓝色波长，部分原因是两极附近甲烷的含量大约是赤道的一半，而甲烷对红色具有吸收作用。

天王星在两个天王星年（一个天王星年是 84.02 个地球年）期间的季节性颜色变化动画，从 1900 年到 2068 年，从南方夏至前开始，此时天王星的南极几乎直接指向太阳。左侧圆盘显示的是天王星的肉眼外观，右侧圆盘经过色彩拉伸和增强处理，使大气特征更加清晰。在这段动画中，天王星的自转速度被放慢了 3000 多倍，因此可以看到行星的自转，还可以看到不连续的风暴云穿过行星的圆盘。随着行星向至日移动，可以看到云层不透明度增加，甲烷丰度降低，形成一个苍白的极地"罩"，填充了更多的行星圆盘，从而导致行星整体颜色的季节性变化。天王星圆盘大小的变化是由于天王星在运行过程中与太阳的距离发生了变化。资料来源：牛津大学帕特里克-欧文（Patrick Irwin）

然而，这还不足以完全解释颜色的变化，因此研究人员在模型中加入了一个新的变量，即一个逐渐变厚的冰雾"罩"。

天文学家认为这很可能是由甲烷冰粒构成的。在模型中模拟时，冰颗粒进一步增加了两极绿色和红色波长的反射，为天王星在至日更绿的原因提供了解释。

欧文教授说："这是第一项将定量模型与成像数据相匹配的研究，以解释天王星的颜色在其轨道上发生变化的原因。通过这种方式，我们证明了天王星在至日时更加绿色，这是因为极地地区的甲烷丰度降低，但同时明亮散射的甲烷冰颗粒厚度也增加了。"

天文学研究大学协会（AURA）的海蒂-哈梅尔（Heidi Hammel）博士花了几十年时间研究海王星和天王星，但没有参与这项研究，她说："几十年来，对海王星颜色的误解以及天王星不寻常的颜色变化一直困扰着我们。这项全面的研究应该最终能平息这两个问题"。

天王星和海王星这两颗冰雪巨行星仍然是未来机器人探索者的诱人目的地，在上世纪 80 年代旅行者号的基础上更上一层楼。

这项新研究的共同作者、莱斯特大学行星科学家利-弗莱彻教授说："探索天王星系统的任务--从它奇异的季节性大气，到它多样的星环和卫星--是航天机构未来几十年的重中之重。"

然而，即使是在天王星轨道上的长寿命行星探测器，也只能捕捉到天王星年的短暂快照。

弗莱彻教授补充说："像这样基于地球的研究，显示天王星的外观和颜色在过去几十年中是如何随着太阳系中最奇特的季节而变化的，对于将未来任务的发现置于更广阔的背景中至关重要。"