奇怪!冥王星的大氣層居然正在消失,科學家正在抓緊研究

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如何確認冥王星有大氣層,如何判斷大氣層膨脹了,如何確定大氣測消失了?

冥王星的大氣層:在行星的輪廓邊緣有着一層薄薄的白色發光層的景象。

冥王星的大氣層在背景光源照射下是可見的,就像這張2015年來自於的照片所示的一樣,這張照片拍攝於冥王星遠離矮行星向着宇宙深處駛去的時候。照片由NASA美國國家航空航天局/Johns Hopkins約翰霍普金斯/SwRI(西南研究中心)提供的。

冥王星的大氣層正在逐漸消失

遙遠的冥王星繞着太陽以一個高度橢圓的軌道運行。冥王星的軌道形狀使得冥王星在每個冥王星年(248個地球年)當中有約20個地球年的時間比海王星到太陽的距離更近。冥王星最後一次比海王星到太陽距離更近的時間是1979年到1999年。然而,由於冥王星這時候到地球的距離仍然是相對較近的,科學家們於2015年急忙向冥王星發射了一艘航天器,當新地平線號航天器戲劇性地掠過了冥王星時,它向地球返回地數據表明冥王星的大氣層密度每十年增長一倍。但是就在最近,在2018年冥王星掩星(星食)期間,這一事件中背景光源照亮了冥王星的大氣層,數據表明冥王星的大氣層正在開始減少並且最終消失。

科學家們在2021年10月4日在第53屆DPS會議(Division for Planetary Sciences美國天文學行星科學研討會)上發表做了這些數據。他們在會議上説到他們的新的工作重心是確認他們的一個猜測:由於冥王星繞着它高度橢圓軌道行駛再次遠離了太陽,所以它的大氣層經過冷卻,回落到冥王星的表面。西南研究中心(SwRI)艾里奧特.楊(Eliot Young)發表了以下的數據。

新地平線號任務從2015年的飛行獲得了關於冥王星大氣層密度的優質數據,這些數據與冥王星大氣層體積每十年翻一倍的推測結果是一致的。但是自2015年以後,我們在2018年的觀測並未發現這個膨脹趨勢一直持續下去。

2015年8月15日, 掩星

1988年地球上的天文學家在冥王星掩星期間,首次觀測到冥王星的大氣層。在那一時期,全人類都將冥王星視為太陽系的第九行星。直到2006年,冥王星重新被歸類為一顆矮行星。在1988年掩星期間,那顆恆星的光線在它即將消失在冥王星後面之前逐漸變暗。逐漸暗淡的光線證明了冥王星稀薄,膨脹的大氣層的存在。當冥王星2015年飛行掠過地球時,新地平行線在那時從這個較近的距離成功地分析出了冥王星的大氣層。

從1988年直到現在,天文學家們通過在地球上偶爾能觀測到的冥王星掩星事件一直監控着冥王星的大氣層。在2018年8月15日的晚上,他們已經為這另一次的遙遠恆星作為冥王星背景光源的掩星事件做好了準備。他們已經知道從美國和墨西哥會看到冥王星在恆星面前經過。他們已經知道當一顆恆星作為矮行星和它的大氣層背景光源時,冥王星的微不可見的影子會在地球的表面移動穿行。而影子路徑的中軸線會從墨西哥的南下加利佛尼亞州Baja California延伸到美國的特拉華州Delaware。當恆星作為背景光照亮冥王星的大氣層時,科學家們在掩星期間已經在影子的路徑沿線都部署好了天文望遠鏡。

在兩分鐘時間內,恆星的光線作為背景光在它穿過冥王星大氣層背後後消失,緊接着當它在冥王星的另一側出現時光亮又開始增強。我們可以在下圖的插圖中看到光線曲線。但是為什麼這曲線是呈W形的,它的中心頂點是哪個呢?

插圖中為冥王星掩星期間延着墨西哥,路易斯安那和東北穿行路徑的地圖。

在2018年8月15日,科學界們在冥王星掩星的中心線附近部署了天文望遠鏡。插圖展示了W形光線曲線,這為天文學家們確認當冥王星向着遠離太陽運行時,冥王星的大氣層開始冷卻並回落到它的表面提供了助力。圖片由NASA美國國家航空航天局/SwRI(西南研究中心)提供的。

解讀冥王星的中心亮光(引用了引力透鏡技術,根據廣義相對論:背景光源發出的光在靠近天體時會產生扭曲的概念)

科學家們能夠在冥王星掩星期間通過分析光線曲線獲取冥王星大氣層的密度。但是注意到上圖中重疊的光線曲線是呈現W形的。它有着天文學家們所説的中心亮光。中心亮光只能在精確的掩星中心線上才能呈現給它的觀測者們。當恆星的位置幾乎完全處於冥王星的正背後時,恆星所發出的光在經過冥王星的大氣層時會出現折射,彎曲然後匯於冥王星的影子中心點上,這就是中心亮光。而能夠觀測到中心亮光就表明天文學家們處於一個觀測冥王星掩星的絕佳位置上。而這也能讓他們清楚對於這一掩星時間的觀測分析也是最精確的。艾里奧特.楊(Eliot Young)解釋道:

2018年觀測到的冥王星掩星中心亮光是目前為止任何人所觀測到的最亮的。中心亮光給我們提供了冥王星影子在地球上的非常精確的路線。

當你在數十億英里的太空中凝視像冥王星這樣渺小的世界中稀薄的(臨時的)大氣層時,所有對於這些渺小細節的關注都很重要。相對於地球的直徑8000英里(約為13000公里)而言,這顆小的矮行星直徑只有不到1500英里(約為2400公里)。這是為什麼冥王星的中心亮光的出現對於科學家們而言顯得如此重要。這為他們提供了信心斷言道,是的沒錯,冥王星的大氣層正在消失。然而現在的問題是,如果冥王星在1979年到1999年間距離太陽最近,而且新地平線也在2015年觀測到冥王星的大氣層是在持續增長的,為什麼2018年我們才觀測到冥王星大氣層開始減少?為什麼它早不開始減少呢?

這原因就和接下來的物理效應是一樣的,雖然陽光在正午時是最充足的,但是我們感覺到的沙灘上的沙子卻是午後的沙子是最熱的。

“保温層”或者熱量惰性

冥王星的表面是冰層覆蓋的。而冥王星的氮氣大氣層是由表面冰層的蒸汽氣壓所支撐的。隨着温度升高,冥王星的表面冰層有汽化的趨勢。所以當冥王星在1979年到1999年間距離太陽最近時,它的表明冰層被加熱,冥王星的大氣層開始從表面升高。而現在,當冥王星在它的運行軌道上行駛地離太陽越來越遠時,它的表面冰層温度也降低了。但是這温度並不是突然降低的。這就是由於冰層的熱量惰性。冰層儲存了一些熱量。西南研究中心的萊斯利.楊是冥王星新地平線任務的另一位專家。她解釋道:

一個和當前情形類似的是太陽加熱沙灘上沙子的方式。陽光在正午時是光照最強的,但是沙子可以整個下午持續地吸收着來自陽光的熱能,所以沙子最熱的時候是在午後。而冥王星大氣層的持續存在也表明了冥王星表面的氮氣儲備冰層是由地表下儲存的熱能保持温暖的。新的數據表明它們正在開始冷卻。

所以2018年掩星期間對於冥王星的新的觀測不僅僅有助於科學家們理解矮行星的大氣層,還有冥王星是如何儲存和釋放熱能的。

太陽系軌道圖,包括冥王星的橢圓軌道。

太陽系這張圖顯示了冥王星在2021年10月的位置。冥王星在1979年到1999年間距離太陽比海王星還要近。隨着它在自己的橢圓軌道上運行得更遠,冥王星現在行駛到更加寒冷的區域。圖片由賽博星空提供。

最後:冥王星的大氣層正在消失。科學家們從2015年的新地平線號訪問冥王星事件和2018年的掩星觀測結果對比,發現了這一巨大變化。當冥王星在它細長的軌道上漸行漸遠時,它的大氣層開始凍結並回落到冥王星表面。

BY: Kelly Kizer Whitt & Deborah Byrd

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