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)冥王星背光照射時我們可以見到她的大氣層，如2015年新地平線號拍攝的圖片——當(dāng)冥王星從矮行星加速進入更深的太空時拍攝的。圖源 NASA/ Johns Hopkins/ SwRI.

冥王星的大氣層正在消失

遙遠的冥王星有一個繞著太陽的橢圓軌道，每20個冥王星“年”（一“年”=248個地球年)中，她軌道的形狀使冥王星比海王星更接近太陽。冥王星最后一次比海王星更近的是在1979年到1999年。當(dāng)她還相對靠近地球時，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’探測器戲劇性地掠過冥王星時，它傳回地球的數(shù)據(jù)顯示，冥王星的大氣密度會在每十年增加一倍。但是最近，在2018年冥王星對一顆恒星的掩星期間——一個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消失。

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

“‘新地平線號’探測器在2015年飛越冥王星時得到了[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年的觀測結(jié)果并沒有顯示這一趨勢在2015年后的持續(xù)性。”

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)時冥王星正處于掩星階段。那個時候所有人都認為冥王星是太陽系中的第九顆行星。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”在2015年掠過她時，能夠從近距離分析她的大氣層。

從1988年至今，天文學(xué)家一直在通過從地球上看到的罕見的恒星掩星現(xiàn)象來監(jiān)測冥王星的大氣層。2018年8月15日晚上，他們在冥王星對一顆遙遠的恒星進行另一次遮掩時準備好了，他們知道冥王星會從在美國和墨西哥看到的星體前經(jīng)過，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在地球表面移動。這個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，科學(xué)家沿著暗影路徑排列望遠鏡去研究冥王星在發(fā)生掩星現(xiàn)象時的情況。

在兩分鐘內(nèi)，恒星的光線在她穿過冥王星大氣層時減弱，然后在出現(xiàn)在冥王星另一側(cè)時增強。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？那個中央的高峰是什么？

圖解：冥王星掩星路徑圖，穿過墨西哥、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鏡。該圖顯示了“ w ”形光線曲線，這幫助天文學(xué)家確認了冥王星的大氣層在其表面凍結(jié)，因為它離太陽越來越遠。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導(dǎo)致的光線曲線來獲取關(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)家所說的中心的閃光。那些觀測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，冥王星的大氣層使得來自被遮擋的恒星的光線，被折射或彎曲，進入冥王星陰影的中心點。能夠看到這個中心閃光使得天文學(xué)家相信他們正處于觀測掩星的正確位置，并且這也讓他們知道他們對此事的分析是盡可能的準確。Elliot Young 解釋說:

“2018年觀測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到的最強烈的，它讓我們對冥王星在地球上的陰影軌跡，有了非常準確的了解?！?/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薄（暫時）大氣層時，對細節(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)在的問題可能是——如果冥王星在1979年到1999年間距離太陽最近，如果“新地平線”號在2015年看到大氣層仍在增加，為什么我們在2018年看到它開始減少？為什么它不早點開始減少？

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

時間的“滯后性”或者熱慣性

冥王星的表面結(jié)冰了，且它的大部分氮氣氣氛是由其表面冰的蒸汽壓支持的。隨著溫度的升高，冰會變成氣態(tài)。因此，在1979年至1999年間，當(dāng)冥王星靠近太陽時，其表面冰的溫度升高，冥王星的大氣層開始從其表面升起?，F(xiàn)在，隨著冥王星在其軌道上不斷遠離太陽，表面冰層的溫度下降。但不會馬上下降，因為冰有熱慣性，可以儲存熱量。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。她評論道:

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

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

圖解：太陽系軌道圖，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更近。隨著它在橢圓軌道上擺動得越來越遠，它現(xiàn)在正進入更冷的區(qū)域。圖源：Cybersky

小結(jié)：冥王星的大氣層正在消失?？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)，與2015年新地平線號訪問冥王星相比，2018年新地平線號掩星期間觀測到的景象發(fā)生了巨大變化。隨著她在其狹長的軌道運動并且離太陽越來越遠，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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