在太陽系的邊緣，兩顆冰巨行星——天王星與海王星，長久以來因距離遙遠、亮度微弱，成為人類探索的“盲區”。如今，詹姆斯·韋伯空間望遠鏡憑借其近紅外攝譜儀（NIRSpec）的卓越性能，首次為天王星繪制出3D極光及高層大氣垂直結構圖，刷新了人類對這顆“躺著旋轉的冰巨星”的認知。

這項由英國諾森比亞大學Paola Tiranti領銜的國際團隊完成的研究，依托韋伯望遠鏡在2025年1月對天王星長達15小時的持續觀測。通過捕捉云層上方分子發出的微弱近紅外光，研究團隊成功解析出從云頂向上5000公里電離層的溫度與離子密度分布，首次以三維視角揭示了天王星高層大氣的動態特征。數據顯示，其高層大氣平均溫度為426開爾文（約153℃），較1986年“旅行者2號”飛掠時的測量值更低，證實了自上世紀90年代以來持續三十余年的冷卻趨勢，降溫速度約為每十年1.5開爾文。

更令人意外的是，天王星大氣呈現“溫度與粒子錯位”的奇特現象：溫度峰值出現在3000-4000公里高度，而帶電離子密度最大值卻位于1000公里處。這種反常分布源于其獨特的磁場結構——天王星的磁軸與自轉軸偏角達60度，磁層呈現明顯不對稱性，被科學家稱為“太陽系最奇怪的磁層”。歪斜的磁場線如同“交通管制”，阻擋帶電粒子流動，導致極光帶附近離子密度降低，形成獨特的“黑暗地帶”，這一特征與木星磁場相關區域高度相似。

研究團隊指出，天王星的極端自轉軸傾斜（98度）與磁場偏移，極可能源于早期太陽系形成時遭遇的巨型天體撞擊。此次觀測首次直觀呈現了這一撞擊“后遺癥”如何深入影響行星大氣環境：磁場與大氣環流的耦合效應，可能正以未知方式加速內部熱量散失，導致高層大氣持續冷卻。盡管天王星接收的太陽能量僅為地球的千分之一，但其高層電離層因太陽輻射與磁場電離作用，粒子運動劇烈，溫度仍高達153℃，而低層大氣與行星內部溫度卻低至零下224℃，形成“上熱下冷”的典型冰巨行星結構。

這一發現不僅補全了人類對太陽系冰巨行星的認知，更將研究視野延伸至系外世界。目前，科學家已在太陽系外發現大量“超級冰巨行星”，它們是宇宙中最常見的行星類型之一，但因距離遙遠，其大氣結構、磁場特征與熱演化規律幾乎未知。天王星作為太陽系內的“冰巨行星樣本”，其磁場-大氣耦合機制與能量傳輸模型，為研究系外冰巨行星提供了關鍵參考。例如，通過解析天王星極光帶的形成與運動，科學家可判斷遙遠系外行星是否具備復雜大氣活動，甚至為尋找潛在宜居行星提供線索。

長期以來，人類對太陽系的探索集中于近地行星與氣態巨行星，天王星與海王星僅在數十年前由“旅行者2號”完成過一次飛掠觀測，資料極為有限。韋伯望遠鏡的出現，終于為這些“神秘客”帶來專屬的“高清特寫”。此次對天王星的觀測僅是開始，未來它還將對海王星展開更細致的研究，進一步揭開冰巨行星的演化密碼。這些探索不僅將完善人類對太陽系形成與演化的理解，更揭示了行星形態的多樣性——在宇宙中，行星的演化遠不止“巖質”與“氣態”兩種路徑，冰巨行星的獨特歷程，或許藏著太陽系乃至宇宙形成的關鍵線索。