“緩冰之計”——冥王星大氣層消失的終極奧義！

圖解：冥王星的大氣層是附在星球外緣的一層薄薄的白色發(fā)光層。

當冥王星被背光照射時，它的大氣層便清晰可見，正如這張2015年來自新視野號的照片所顯示的那樣。當時它正加速離開一顆矮行星，進入更深的太空空間。

圖源來自NASA/Johns Hopkins/SwRI

冥王星的大氣層正在逐漸消失

遙遠的冥王星以一個高度橢圓軌道繞著太陽轉(zhuǎn)動。這樣的軌跡形狀使得冥王星在一個“冥王星年”(248個地球年)中每二十年比海王星更接近太陽。冥王星最后一次比海王星更靠近太陽是在1979年到1999年。并且，由于它離地球相對很近，科學(xué)家火速安排發(fā)射了一臺前往冥王星的航天器。2015年，當新視野號航天器不負眾望地掠過冥王星時，它所傳輸回地球的數(shù)據(jù)顯示，冥王星的大氣層密度每十年就增加一倍。但在2018年的一次冥王星掩星——也就是冥王星的大氣層被從背后照亮——的過程中，數(shù)據(jù)顯示，冥王星的大氣層開始減少，并很可能在未來會消失。

科學(xué)家們在2021年10月4日第53屆DPS年會上公開了這些數(shù)據(jù)。他們稱他們最新的研究工作證實了這一想法，冥王星再一次在它高度橢圓的軌道上離太陽距離更遠，它的大氣層開始結(jié)冰，并且下落到其地表。美國西南研究院(SwRI)的Eliot Young表示：

“新視野號”任務(wù)從2015年的飛行中獲得了“極好的關(guān)于冥王星大氣密度數(shù)據(jù)”，與冥王星體積大氣每十年翻倍的推測相一致。但我們在2018年的觀察數(shù)據(jù)并沒有顯示出這種趨勢從2015年開始繼續(xù)下去。

圖解：2018年8月15日，掩星過程

1988年，地球上的科學(xué)家在一次冥王星進行掩星的過程中，首次發(fā)現(xiàn)了冥王星的大氣層。在那時，人類社會普遍認為冥王星是我們太陽系的第九大行星。但是自2006年以來，它就被歸類為矮行星。在1988年的眼睛過程中，恒星太陽的光線在冥王星后面消失之前逐漸變暗，正是這個過程表明了冥王星薄而膨脹的大氣層是存在的?！靶乱曇疤枴币虼嗽?015年近距離掠過冥王星時，得以分析出大氣層的存在。

自1988年至今，天文學(xué)家一直在通過地球上罕見的冥王星掩星來監(jiān)測其大氣層。2018年8月15日晚，他們準備好迎接冥王星的再次掩星，并且了解到在美國和墨西哥可以見到冥王星在發(fā)光恒星前經(jīng)過。他們深知由于這顆矮行星和他的大氣層被恒星背光照射，冥王星會在地球表面投下淡淡的陰影移動。這條陰影路徑的中線從下加利福尼亞延伸到特拉華?？茖W(xué)家們在掩星期間沿著陰影路徑部署望遠鏡來研究冥王星以及其被恒星背光照亮的大氣層。

在兩分鐘的時間里，當恒星經(jīng)過冥王星大氣層后面時，它的背景光逐漸暗淡下來，接著當它再次出現(xiàn)在冥王星的另一邊時，又漸漸地增亮。在下圖中你可以欣賞到這個過程形成的光曲線。但是為什么這個曲線成w形呢？其中心波峰是什么？

這是冥王星掩星路徑橫跨墨西哥，路易斯安那和美國東北部的插圖。

圖解：在2018年8月15日，科學(xué)家在冥王星產(chǎn)生的掩星路徑中線附近安置了多架望遠鏡。這幅圖顯示了因此而產(chǎn)生的w形光曲線。這幫助天文學(xué)家證實了冥王星由于正在遠離太陽，其大氣層正在結(jié)冰并且下落至其地表。圖源SwRI/NASA

解讀冥王星的“中央閃光”

科學(xué)家們會通過分析冥王星遮擋恒星時產(chǎn)生的光曲線獲得關(guān)于冥王星大氣密度的信息。但是也請注意，上圖提及的光曲線是W形的。這就包含了天文學(xué)家們口中的“中央閃光”。對觀察者們來說，這種中央閃光只會出現(xiàn)在掩星的精確中線上。這種情況發(fā)生在恒星恰好出現(xiàn)于冥王星正背后時，冥王星的大氣層折射或者扭曲了來自被遮擋的恒星的光，使其成為冥王星陰影中心的一點。如果目睹到這個中心閃光，天文學(xué)家便能確定他們正好處在觀察掩星的正確位置。不僅如此，中心閃光還能讓科學(xué)家的分析盡可能準確。Elliot Young 解釋道：

“2018年出現(xiàn)的中心閃光，是迄今為止在冥王星掩星過程中發(fā)出的最強閃光。中心閃光讓我們非常準確地了解到了冥王星在地球上的陰影路徑。”

當你在數(shù)十億英里的太空中，凝視著一個像冥王星的大氣層這樣又稀薄又轉(zhuǎn)瞬即逝的事物時，所有細節(jié)都值得被關(guān)注。這個小白矮星的直徑不到1500英里(2400千米)，而地球的直徑為8000英里(13000千米)。這就是為什么中心閃光的出現(xiàn)對于這些科學(xué)家來說至關(guān)重要。這讓他們有信心斷言，是的，冥王星的大氣層正在消失。現(xiàn)在的問題可能變成——如果冥王星在1979~1999年之間離太陽最近，如果“新視野號”在2015年仍然勘測出大氣層在增厚，為什么在2018年我們看見它開始削弱了？為什么它不在更早前就開始減少？

其中的物理效應(yīng)可以從海灘上沙子的變熱過程中窺見一斑。即使太陽在正午左右散發(fā)出一天最大的熱量，沙灘上的沙子在下午溫度才達到最高。

一次“延遲行動”——熱惰性

冥王星的表面被冰層覆蓋，并且其廣闊的氮氣大氣層是靠著由其地表冰產(chǎn)生的蒸汽壓力而存在——冰隨著溫度升高而轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w狀態(tài)。因此冥王星在1979年~1999年之間最接近太陽時，其表面冰的溫度變暖，大氣層開始從地表升起?，F(xiàn)在當冥王星在其軌道上繼續(xù)離太陽越來越遠時，冥王星地表冰的溫度正逐步下降，但由于冰的熱惰性，它儲存了一些熱量，溫度并不是急轉(zhuǎn)直下。美國西北研究院的Leslie Young另一位冥王星“新視野”任務(wù)的負責(zé)專家。她表示：

與此相類似的是太陽加熱海灘上沙子的過程。正午的陽光最強烈，但沙子會繼續(xù)吸收熱量，所以傍晚才是沙子溫度最高的時候。冥王星大氣層的持續(xù)存在表明，冥王星表面的氮冰庫是通過地表下儲存的熱量保持溫度的。但是新的數(shù)據(jù)顯示，它們正開始降溫。

因此在2018年冥王星掩星期間的新觀測，不僅幫助科學(xué)家們了解這顆矮行星的大氣層，還有助于他們更深一步研究冥王星是如何儲存和釋放熱量的。

圖解：太陽系軌道圖，包括冥王星的橢圓軌道。這幅太陽系圖表明了在2021年10月冥王星的位置。冥王星在1979~1999年比海王星離太陽更近。但是隨著它在橢圓軌道上移動的更遠，它現(xiàn)在正在進入更寒冷的階段。圖源Cybersky。

總結(jié)：冥王星的大氣層正在逐步消失。科學(xué)家們在2015年“新視野號”拜訪冥王星和2018年掩星過程的對比中發(fā)現(xiàn)了其翻天覆地的變化。由于這顆星球在他的橢圓軌道上離太陽越行越遠，它的大氣層正在結(jié)冰并且掉落至地表。

BY：Kelly Kizer Whitt and Deborah Byrd

FY：余婕

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