冥王星大氣正在消失？是大氣層的“出走”，還是與熱量的交易？

冥王星的大氣層正在消失

圖解：冥王星大氣層: 行星側(cè)影。她的邊緣周圍有一層薄薄的白色發(fā)光層。當(dāng)冥王星背光照射時(shí)我們可以見(jiàn)到她的大氣層，如2015年新地平線號(hào)拍攝的圖片——當(dāng)冥王星從矮行星加速進(jìn)入更深的太空時(shí)拍攝的。圖源 NASA/ Johns Hopkins/ SwRI.

冥王星的大氣層正在消失

遙遠(yuǎn)的冥王星有一個(gè)繞著太陽(yáng)的橢圓軌道，每20個(gè)冥王星“年”（一“年”=248個(gè)地球年)中，她軌道的形狀使冥王星比海王星更接近太陽(yáng)。冥王星最后一次比海王星更近的是在1979年到1999年。當(dāng)她還相對(duì)靠近地球時(shí)，科學(xué)家們便匆忙向冥王星發(fā)射了一艘宇宙飛船。2015年，當(dāng)‘新地平線號(hào)’探測(cè)器戲劇性地掠過(guò)冥王星時(shí)，它傳回地球的數(shù)據(jù)顯示，冥王星的大氣密度會(huì)在每十年增加一倍。但是最近，在2018年冥王星對(duì)一顆恒星的掩星期間——一個(gè)使冥王星大氣背光的事件——它的數(shù)據(jù)顯示冥王星的大氣開始減少并最終會(huì)消失。

在2021年10月4日，科學(xué)家在第53屆 DPS年會(huì)上提出了這些結(jié)果。他們提到，他們的新工作證實(shí)了這樣一個(gè)觀點(diǎn)：隨著冥王星的橢圓軌道再次遠(yuǎn)離太陽(yáng)，她的大氣層正在凍結(jié)并會(huì)回落到她的表面。西南研究所的 Eliot Young 評(píng)論道:

“‘新地平線號(hào)’探測(cè)器在2015年飛越冥王星時(shí)得到了[關(guān)于冥王星大氣密度的優(yōu)秀的數(shù)據(jù)] ，與冥王星的大氣密度每十年增加一倍一樣。但我們2018年的觀測(cè)結(jié)果并沒(méi)有顯示這一趨勢(shì)在2015年后的持續(xù)性?！?/p>

2018年8月15日，掩星

1988年，天文學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)冥王星的大氣層，而當(dāng)時(shí)冥王星正處于掩星階段。那個(gè)時(shí)候所有人都認(rèn)為冥王星是太陽(yáng)系中的第九顆行星。從2006年起，它被歸類為矮行星。在1988年的掩星期間，這顆恒星的光逐漸變暗。光變暗的情況顯示出冥王星的大氣層非常稀薄。于是，“新地平線號(hào)”在2015年掠過(guò)她時(shí)，能夠從近距離分析她的大氣層。

從1988年至今，天文學(xué)家一直在通過(guò)從地球上看到的罕見(jiàn)的恒星掩星現(xiàn)象來(lái)監(jiān)測(cè)冥王星的大氣層。2018年8月15日晚上，他們?cè)谮ね跣菍?duì)一顆遙遠(yuǎn)的恒星進(jìn)行另一次遮掩時(shí)準(zhǔn)備好了，他們知道冥王星會(huì)從在美國(guó)和墨西哥看到的星體前經(jīng)過(guò)，他們也知道——由于這顆矮行星和它的大氣層被這顆恒星的背光照射——冥王星的微弱影子將會(huì)在地球表面移動(dòng)。這個(gè)陰影的中心線將從加利福尼亞州一直延伸到特拉華州。當(dāng)冥王星的大氣層由恒星背光照射時(shí)，科學(xué)家沿著暗影路徑排列望遠(yuǎn)鏡去研究冥王星在發(fā)生掩星現(xiàn)象時(shí)的情況。

在兩分鐘內(nèi)，恒星的光線在她穿過(guò)冥王星大氣層時(shí)減弱，然后在出現(xiàn)在冥王星另一側(cè)時(shí)增強(qiáng)。你可以在下面的圖片插圖中看到光線的曲線。但為什么曲線是 “w” 型的？那個(gè)中央的高峰是什么？

圖解：冥王星掩星路徑圖，穿過(guò)墨西哥、路易斯安那州和東北部。2018年8月15日，科學(xué)家在冥王星掩星的中心線附近放置望遠(yuǎn)鏡。該圖顯示了“ w ”形光線曲線，這幫助天文學(xué)家確認(rèn)了冥王星的大氣層在其表面凍結(jié)，因?yàn)樗x太陽(yáng)越來(lái)越遠(yuǎn)。圖源：SwRI/ NASA

探究冥王星中心的閃光

科學(xué)家可以分析冥王星與恒星相撞時(shí)導(dǎo)致的光線曲線來(lái)獲取關(guān)于冥王星大氣密度的信息，但是需要注意的是，上面圖像上疊加的光線曲線是 “w” 型的，它有天文學(xué)家所說(shuō)的中心的閃光。那些觀測(cè)者看到的中心閃光僅僅出現(xiàn)在掩星的中心線上。這種現(xiàn)象發(fā)生在星體處于冥王星正后方時(shí)，冥王星的大氣層使得來(lái)自被遮擋的恒星的光線，被折射或彎曲，進(jìn)入冥王星陰影的中心點(diǎn)。能夠看到這個(gè)中心閃光使得天文學(xué)家相信他們正處于觀測(cè)掩星的正確位置，并且這也讓他們知道他們對(duì)此事的分析是盡可能的準(zhǔn)確。Elliot Young 解釋說(shuō):

“2018年觀測(cè)到的位于中心的閃光，是迄今為止所有人在冥王星掩星中觀測(cè)到的最強(qiáng)烈的，它讓我們對(duì)冥王星在地球上的陰影軌跡，有了非常準(zhǔn)確的了解?！?/p>

當(dāng)你穿越數(shù)十億英里的太空，凝視著像冥王星這么小的星球的稀?。〞簳r(shí)）大氣層時(shí)，對(duì)細(xì)節(jié)的關(guān)注是極為重要的。與地球的8000英里（13000公里）形成鮮明對(duì)比的是，這顆小矮星直徑不到1500英里（2400公里）。這就是為什么中心閃光的出現(xiàn)對(duì)科學(xué)家如此重要。而這讓他們有信心明確提出，冥王星的大氣層正在消失?，F(xiàn)在的問(wèn)題可能是——如果冥王星在1979年到1999年間距離太陽(yáng)最近，如果“新地平線”號(hào)在2015年看到大氣層仍在增加，為什么我們?cè)?018年看到它開始減少？為什么它不早點(diǎn)開始減少？

原因是相同的物理效應(yīng)——即使太陽(yáng)在正午時(shí)分最高，海灘上的沙子在下午晚些時(shí)候感覺(jué)最熱，

時(shí)間的“滯后性”或者熱慣性

冥王星的表面結(jié)冰了，且它的大部分氮?dú)鈿夥帐怯善浔砻姹恼羝麎褐С值?。隨著溫度的升高，冰會(huì)變成氣態(tài)。因此，在1979年至1999年間，當(dāng)冥王星靠近太陽(yáng)時(shí)，其表面冰的溫度升高，冥王星的大氣層開始從其表面升起。現(xiàn)在，隨著冥王星在其軌道上不斷遠(yuǎn)離太陽(yáng)，表面冰層的溫度下降。但不會(huì)馬上下降，因?yàn)楸袩釕T性，可以儲(chǔ)存熱量。西南研究所的 Leslie Young 是冥王星新地平線任務(wù)的另一位專家。她評(píng)論道:

“（這）類似于海灘上太陽(yáng)使沙子溫度升高的原理。陽(yáng)光在正午最強(qiáng)烈，但是沙子在下午繼續(xù)吸收熱量，所以在下午晚些時(shí)候最熱。冥王星大氣層的持續(xù)存在表明，冥王星表面的氮冰儲(chǔ)存在表面下的熱量中來(lái)保持溫暖，而新的數(shù)據(jù)顯示它們開始變冷了?！?/p>

因此，在2018年冥王星掩星期間科學(xué)家的新觀測(cè)不僅幫助科學(xué)家了解了她的大氣層，還有助于他們了解了冥王星儲(chǔ)存和釋放熱量的方式。

圖解：太陽(yáng)系軌道圖，包括冥王星的橢圓軌道，這張圖顯示了冥王星在2021年10月的位置。在1979年到1999年期間，冥王星比海王星離太陽(yáng)更近。隨著它在橢圓軌道上擺動(dòng)得越來(lái)越遠(yuǎn)，它現(xiàn)在正進(jìn)入更冷的區(qū)域。圖源：Cybersky

小結(jié)：冥王星的大氣層正在消失。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，與2015年新地平線號(hào)訪問(wèn)冥王星相比，2018年新地平線號(hào)掩星期間觀測(cè)到的景象發(fā)生了巨大變化。隨著她在其狹長(zhǎng)的軌道運(yùn)動(dòng)并且離太陽(yáng)越來(lái)越遠(yuǎn)，大氣層開始凍結(jié)并落到地表。

BY: Kelly Kizer Whitt、Deborah Byrd

FY: Lyra

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