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在太阳系的边缘，两颗冰巨行星——天王星与海王星，长久以来因距离遥远、亮度微弱，成为人类探索的“盲区”。如今，詹姆斯·韦伯空间望远镜凭借其近红外摄谱仪（NIRSpec）的卓越性能，首次为天王星绘制出3D极光及高层大气垂直结构图，刷新了人类对这颗“躺着旋转的冰巨星”的认知。

这项由英国诺森比亚大学Paola Tiranti领衔的国际团队完成的研究，依托韦伯望远镜在2025年1月对天王星长达15小时的持续观测。通过捕捉云层上方分子发出的微弱近红外光，研究团队成功解析出从云顶向上5000公里电离层的温度与离子密度分布，首次以三维视角揭示了天王星高层大气的动态特征。数据显示，其高层大气平均温度为426开尔文（约153℃），较1986年“旅行者2号”飞掠时的测量值更低，证实了自上世纪90年代以来持续三十余年的冷却趋势，降温速度约为每十年1.5开尔文。

更令人意外的是，天王星大气呈现“温度与粒子错位”的奇特现象：温度峰值出现在3000-4000公里高度，而带电离子密度最大值却位于1000公里处。这种反常分布源于其独特的磁场结构——天王星的磁轴与自转轴偏角达60度，磁层呈现明显不对称性，被科学家称为“太阳系最奇怪的磁层”。歪斜的磁场线如同“交通管制”，阻挡带电粒子流动，导致极光带附近离子密度降低，形成独特的“黑暗地带”，这一特征与木星磁场相关区域高度相似。

研究团队指出，天王星的极端自转轴倾斜（98度）与磁场偏移，极可能源于早期太阳系形成时遭遇的巨型天体撞击。此次观测首次直观呈现了这一撞击“后遗症”如何深入影响行星大气环境：磁场与大气环流的耦合效应，可能正以未知方式加速内部热量散失，导致高层大气持续冷却。尽管天王星接收的太阳能量仅为地球的千分之一，但其高层电离层因太阳辐射与磁场电离作用，粒子运动剧烈，温度仍高达153℃，而低层大气与行星内部温度却低至零下224℃，形成“上热下冷”的典型冰巨行星结构。

这一发现不仅补全了人类对太阳系冰巨行星的认知，更将研究视野延伸至系外世界。目前，科学家已在太阳系外发现大量“超级冰巨行星”，它们是宇宙中最常见的行星类型之一，但因距离遥远，其大气结构、磁场特征与热演化规律几乎未知。天王星作为太阳系内的“冰巨行星样本”，其磁场-大气耦合机制与能量传输模型，为研究系外冰巨行星提供了关键参考。例如，通过解析天王星极光带的形成与运动，科学家可判断遥远系外行星是否具备复杂大气活动，甚至为寻找潜在宜居行星提供线索。

长期以来，人类对太阳系的探索集中于近地行星与气态巨行星，天王星与海王星仅在数十年前由“旅行者2号”完成过一次飞掠观测，资料极为有限。韦伯望远镜的出现，终于为这些“神秘客”带来专属的“高清特写”。此次对天王星的观测仅是开始，未来它还将对海王星展开更细致的研究，进一步揭开冰巨行星的演化密码。这些探索不仅将完善人类对太阳系形成与演化的理解，更揭示了行星形态的多样性——在宇宙中，行星的演化远不止“岩质”与“气态”两种路径，冰巨行星的独特历程，或许藏着太阳系乃至宇宙形成的关键线索。