【导语】

一项利用詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）开展的最新研究首次绘制出天王星电离层的垂直结构，揭示了此前未被观测到的温度峰值、减弱的离子密度以及与其极端磁场几何形态相关的暗区结构。研究结果显示，天王星上层大气在过去数十年中持续降温，并呈现出与太阳系其他行星明显不同的空间相互作用特征。

近乎全天观测锁定上层大气结构

据介绍，北安普顿大学天文学家 Paola Tiranti 及其团队使用美国宇航局（NASA）、欧洲航天局（ESA）和加拿大航天局（CSA）联合研制的詹姆斯·韦伯太空望远镜上的近红外光谱仪（NIRSpec），对天王星进行了近乎整整一天的连续观测。

研究团队重点测量了天王星电离层的垂直结构。电离层是行星大气中带电粒子占主导的区域，也是极光产生的主要场所。通过本次观测，科研人员得以在高度维度上刻画温度和带电粒子密度如何随高度变化。

Tiranti 表示，这是首次以三维方式观测天王星上层大气。她指出，得益于韦伯望远镜的高灵敏度，团队能够追踪能量如何自下而上在大气中传输，并识别出天王星不对称磁场对上层大气结构的影响。

温度与离子密度峰值高度出人意料

观测结果显示，天王星上层大气温度在距行星约 3000 至 4000 公里处出现峰值，而离子密度则在约 1000 公里高度达到最大值。研究团队指出，测得的离子密度峰值明显低于现有模型的预测。

这一差异表明，天王星电离层中能量输入、粒子生成与损失过程的实际情况，与此前基于有限观测和理论推演建立的模型并不完全一致。相关结果为后续修正和完善巨行星电离层模型提供了新的约束。

极光带与“暗区”凸显异常磁场影响

除温度和密度分布外，韦伯望远镜还在靠近天王星磁极的位置探测到两条明亮的极光带。同时，观测揭示出一个发射和粒子密度均明显减弱的区域。研究团队认为，这一“暗区”极有可能与天王星磁场的特殊几何结构有关。

天王星的磁层被认为是太阳系中最为特殊的之一，其磁场既倾斜又偏离行星自转轴。Tiranti 指出，这种构型意味着天王星的极光会以复杂的方式在行星表面上空扫过。最新观测显示，这些磁场效应不仅影响极光形态，也深入塑造了上层大气的垂直结构。

证实长期降温趋势并提供关键基准

研究结果确认，天王星上层大气在过去数十年中一直处于降温状态。本次利用韦伯望远镜获得的高分辨率垂直剖面，为这一趋势提供了新的观测证据，并揭示了由磁环境塑造的多种新结构。

研究团队表示，这些成果为未来针对天王星的探测任务提供了关键基准数据，有助于更系统地理解巨行星如何在其上层大气中实现能量平衡。相关认识不仅适用于太阳系内的冰巨星，也为研究太阳系外巨行星的大气特性提供了重要参照。

Tiranti 指出，通过如此详细地刻画天王星电离层的垂直结构，韦伯望远镜正在帮助科研人员更好地理解冰巨星的能量收支过程，并为后续对系外巨行星的表征奠定基础。

论文信息

上述研究成果以题为《JWST 发现天王星电离层的垂直结构》（JWST Discovery of the Vertical Structure of Uranus’ Ionosphere）的论文形式发表在《地球物理研究快报》（Geophysical Research Letters）上：

Paola I. Tiranti 等，2026 年，《地球物理研究快报》53（4）：e2025GL119304，doi: 10.1029/2025GL119304。