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歷時(shí)30年的掩星觀測(cè):揭示冥王星大氣壓變化之謎

www.help-services.cn  2019-10-15 10:32  
由新視野號(hào)拍攝到的冥王星真實(shí)色彩圖片

  北京時(shí)間10月15日消息,據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道,每當(dāng)冥王星經(jīng)過一顆恒星的前面時(shí),我們就能探測(cè)到有關(guān)其大氣層的寶貴信息。之所以寶貴,是因?yàn)橼ね跣堑难谛乾F(xiàn)象非常罕見。在2019年5月10日的《天文學(xué)和天體物理學(xué)》雜志上,發(fā)表了一項(xiàng)由巴黎天文臺(tái)的研究人員經(jīng)過幾十年觀測(cè)而得的研究結(jié)果。根據(jù)“新視野號(hào)”探測(cè)器于2015年收集的數(shù)據(jù),科學(xué)家對(duì)冥王星掩星過程的物理參數(shù)進(jìn)行了解釋,這些參數(shù)對(duì)于更好地了解冥王星的氣候,以及預(yù)測(cè)這顆矮行星未來的恒星掩星事件非常重要。

  和地球類似,冥王星的大氣層主要也是由氮?dú)鈽?gòu)成,但比較僅限于此。冥王星軌道在海王星之外,要花248個(gè)地球年才能繞太陽轉(zhuǎn)一圈。在冥王星的一年中,它與太陽的距離在30至50天文單位之間變化,導(dǎo)致了極端的季節(jié)循環(huán)。

  冥王星表面溫度極低,可低于-230℃(40°K)。那里存在一種固態(tài)-氣態(tài)平衡,其中稀薄的大氣基本為氮?dú),與表面冰層共存。據(jù)估計(jì),如今冥王星的氮蒸氣的壓力穩(wěn)定在1.3帕斯卡左右(而地球上的壓力約為10萬帕)。

  由于冥王星的傾角(極軸與軌道平面之間的夾角)為120度,因此其兩極會(huì)出現(xiàn)連續(xù)數(shù)十年的白晝,然后是同樣漫長(zhǎng)的極夜。這導(dǎo)致了冥王星表面揮發(fā)性物質(zhì)如氮,甲烷和一氧化碳的重新分布,并形成復(fù)雜的物質(zhì)循環(huán)。冥王星在1988年到達(dá)晝夜平分點(diǎn),然后在1989年移動(dòng)到近日點(diǎn)(30au)。從那時(shí)起,這顆矮行星就不斷地遠(yuǎn)離太陽,在2016年時(shí)距離達(dá)到了32ua,這意味著它的平均日照減少了25%。

  預(yù)測(cè)與結(jié)果的矛盾

1988年至2238年冥王星表面的大氣壓力隨時(shí)間的變化,洋紅色曲線為南半球存在氮儲(chǔ)集層的情況

  如果你以為冥王星的大氣壓會(huì)因此急劇下降,那就想得太簡(jiǎn)單了。根據(jù)氮的氣-冰平衡,表面每降低一個(gè)開氏度,氣壓就應(yīng)該降低一倍。然而觀測(cè)結(jié)果恰恰相反。2019年5月10日發(fā)表在《天文學(xué)和天體物理學(xué)》雜志上的這篇文章提供了證據(jù)。文章中分析了近30年來在冥王星北半球春季觀測(cè)到的十幾次恒星掩星,發(fā)現(xiàn)1988年至2016年間,泰無聊招聘冥王星的大氣壓增加了三倍。

  自20世紀(jì)90年代以來,冥王星的全球氣候模型(GCM)就已經(jīng)將這種自相矛盾的情況考慮在內(nèi),但該結(jié)果并不確定,只是眾多情況之一。模型的幾個(gè)重要參數(shù)仍然受到觀測(cè)結(jié)果的限制。如今,通過這些來自地球的恒星掩星觀測(cè)結(jié)果,加上2015年7月美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)新視野號(hào)(New Horizons)探測(cè)器飛越冥王星時(shí)收集的數(shù)據(jù),天文學(xué)家可以描繪出更加精確的場(chǎng)景模型。

  新視野號(hào)繪制了這顆矮行星表面冰層的分布和地形,揭示了一個(gè)直徑超過1000公里,深4公里的巨大盆地,位于冥王星赤道附近,緯度在25°S到50°N之間,稱為“史波尼克高原”(Sputnik Planitia)。該盆地將冥王星大氣中一部分可用的氮鎖住,形成了一個(gè)巨大的冰川。這才是冥王星氣候的真正“心臟”,通過氮的升華,它可以調(diào)節(jié)這顆矮行星的大氣循環(huán)。

冥王星的諾蓋山脈(左側(cè)前景),希拉里山脈(左側(cè)天際線)和史波尼克高原(右側(cè))的景象,可見大氣中彌漫的煙霧

  此外,掩星觀測(cè)結(jié)果限制了模型中的下層土熱慣量,解釋了從到達(dá)近日點(diǎn)(1989年)至今,30年來仍然可以觀測(cè)到的氣壓增長(zhǎng)相移。下層土先是將熱量?jī)?chǔ)存起來,然后逐漸釋放,這一過程還在進(jìn)行之中。掩星觀測(cè)結(jié)果還限制了由氮冰反射回太空的太陽能比例(球面反照率),以及氮冰本身的輻射率。

  最后,這些觀測(cè)消除了在冥王星南半球存在氮儲(chǔ)集層的可能性(目前處于極夜),否則表面最大氣壓的出現(xiàn)要比觀測(cè)到的結(jié)果早得多。

  這項(xiàng)研究很好地說明了地面觀測(cè)和空間觀測(cè)之間的互補(bǔ)性。如果沒有“新視野號(hào)”的飛掠,我們對(duì)冥王星表面冰層的分布和地形將仍然未知,如果沒有對(duì)冥王星大氣的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè),其氣候模型也將無法受到約束。

  什么是掩星?

2019年9月5日掩星時(shí)冥王星在天空中的位置

  巧合的是,在20世紀(jì)的最后幾十年和21世紀(jì)的頭幾十年里,地球,冥王星和遙遠(yuǎn)的銀河系中心稠密的恒星場(chǎng)幸運(yùn)地排成了一線。這一巧合意味著冥王星會(huì)相對(duì)頻繁地從我們和背景恒星之間經(jīng)過。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí),它的影子會(huì)落在地球上。天文學(xué)家將這種現(xiàn)象稱為掩星。

  在掩星期間,任何恰好位于陰影路徑內(nèi)的天文臺(tái)都可以進(jìn)行觀測(cè)到,當(dāng)冥王星經(jīng)過恒星前方時(shí),它似乎消失了,然后隨著行星排列的變化,它又重新出現(xiàn)。對(duì)于地球表面的任何地方,冥王星的掩星過程最多持續(xù)幾分鐘。

  掩星技術(shù)被廣泛應(yīng)用于研究外太陽系多種天體(包括小行星,彗星,行星和矮行星)的軌道,光環(huán),衛(wèi)星,形狀和大氣層等特征。

  通過比較觀察者在地球上不同位置所觀測(cè)到的結(jié)果,可以計(jì)算出掩星天體的大小和形狀。如果這個(gè)物體有大氣層,那么當(dāng)星光閃爍幾秒鐘后又重新出現(xiàn)時(shí),星光在穿過其大氣層時(shí)就會(huì)因吸收和折射而改變。

  自從20世紀(jì)80年代第一次成功的掩星觀測(cè)以來,一系列結(jié)果已經(jīng)幫助天文學(xué)家建立了對(duì)冥王星半徑越來越精確的測(cè)量方法,并不斷加深我們對(duì)其大氣溫度和壓力的了解。

  未來掩星事件

冥王星和GAIA DR2 6771712487062767488恒星,右側(cè)為冥衛(wèi)一“卡戎”(Charon)

  恒星掩星事件還提供了冥王星在1988年至2016年間的19個(gè)位置,在天空中的精度達(dá)到了幾毫弧秒(mas)。這樣的精度,還要?dú)w功于歐洲空間局蓋亞任務(wù)第二階段數(shù)據(jù)的發(fā)布。在此基礎(chǔ)上,研究人員可以計(jì)算出冥王星在未來十年同樣高精度的星歷。

  因此,未來天文學(xué)家將可能通過觀察冥王星的其他掩星事件來監(jiān)測(cè)其氣候。理論模型表明,冥王星的大氣層目前正接近其最大膨脹狀態(tài)。未來的觀測(cè)可能證實(shí),或者否定這一預(yù)測(cè)。我們會(huì)很快看到這種氣壓的緩慢下降嗎?是否到最后,冥王星的大氣壓力會(huì)減少到原來的二十分之一,泰無聊招聘表面覆蓋著一層薄薄的有光澤的“白霜”呢?(任天)

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