终极奥义!数据表明,冥王星正缓缓揭开其“面纱”?

“缓冰之计”——冥王星大气层消失的终极奥义!

终极奥义!数据表明,冥王星正缓缓揭开其“面纱”?

图解:冥王星的大气层是附在星球外缘的一层薄薄的白色发光层。

当冥王星被背光照射时,它的大气层便清晰可见,正如这张2015年来自新视野号的照片所显示的那样。当时它正加速离开一颗矮行星,进入更深的太空空间。

图源来自NASA/Johns Hopkins/SwRI

终极奥义!数据表明,冥王星正缓缓揭开其“面纱”?

冥王星的大气层正在逐渐消失

遥远的冥王星以一个高度椭圆轨道绕着太阳转动。这样的轨迹形状使得冥王星在一个“冥王星年”(248个地球年)中每二十年比海王星更接近太阳。冥王星最后一次比海王星更靠近太阳是在1979年到1999年。并且,由于它离地球相对很近,科学家火速安排发射了一台前往冥王星的航天器。2015年,当新视野号航天器不负众望地掠过冥王星时,它所传输回地球的数据显示,冥王星的大气层密度每十年就增加一倍。但在2018年的一次冥王星掩星——也就是冥王星的大气层被从背后照亮——的过程中,数据显示,冥王星的大气层开始减少,并很可能在未来会消失。

终极奥义!数据表明,冥王星正缓缓揭开其“面纱”?

科学家们在2021年10月4日第53届DPS年会上公开了这些数据。他们称他们最新的研究工作证实了这一想法,冥王星再一次在它高度椭圆的轨道上离太阳距离更远,它的大气层开始结冰,并且下落到其地表。美国西南研究院(SwRI)的Eliot Young表示:

“新视野号”任务从2015年的飞行中获得了“极好的关于冥王星大气密度数据”,与冥王星体积大气每十年翻倍的推测相一致。但我们在2018年的观察数据并没有显示出这种趋势从2015年开始继续下去。

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图解:2018年8月15日,掩星过程

1988年,地球上的科学家在一次冥王星进行掩星的过程中,首次发现了冥王星的大气层。在那时,人类社会普遍认为冥王星是我们太阳系的第九大行星。但是自2006年以来,它就被归类为矮行星。在1988年的眼睛过程中,恒星太阳的光线在冥王星后面消失之前逐渐变暗,正是这个过程表明了冥王星薄而膨胀的大气层是存在的。“新视野号”因此在2015年近距离掠过冥王星时,得以分析出大气层的存在。

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自1988年至今,天文学家一直在通过地球上罕见的冥王星掩星来监测其大气层。2018年8月15日晚,他们准备好迎接冥王星的再次掩星,并且了解到在美国和墨西哥可以见到冥王星在发光恒星前经过。他们深知由于这颗矮行星和他的大气层被恒星背光照射,冥王星会在地球表面投下淡淡的阴影移动。这条阴影路径的中线从下加利福尼亚延伸到特拉华。科学家们在掩星期间沿着阴影路径部署望远镜来研究冥王星以及其被恒星背光照亮的大气层。

在两分钟的时间里,当恒星经过冥王星大气层后面时,它的背景光逐渐暗淡下来,接着当它再次出现在冥王星的另一边时,又渐渐地增亮。在下图中你可以欣赏到这个过程形成的光曲线。但是为什么这个曲线成w形呢?其中心波峰是什么?

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这是冥王星掩星路径横跨墨西哥,路易斯安那和美国东北部的插图。

图解:在2018年8月15日,科学家在冥王星产生的掩星路径中线附近安置了多架望远镜。这幅图显示了因此而产生的w形光曲线。这帮助天文学家证实了冥王星由于正在远离太阳,其大气层正在结冰并且下落至其地表。图源SwRI/NASA

解读冥王星的“中央闪光”

科学家们会通过分析冥王星遮挡恒星时产生的光曲线获得关于冥王星大气密度的信息。但是也请注意,上图提及的光曲线是W形的。这就包含了天文学家们口中的“中央闪光”。对观察者们来说,这种中央闪光只会出现在掩星的精确中线上。这种情况发生在恒星恰好出现于冥王星正背后时,冥王星的大气层折射或者扭曲了来自被遮挡的恒星的光,使其成为冥王星阴影中心的一点。如果目睹到这个中心闪光,天文学家便能确定他们正好处在观察掩星的正确位置。不仅如此,中心闪光还能让科学家的分析尽可能准确。Elliot Young 解释道:

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“2018年出现的中心闪光,是迄今为止在冥王星掩星过程中发出的最强闪光。中心闪光让我们非常准确地了解到了冥王星在地球上的阴影路径。”

当你在数十亿英里的太空中,凝视着一个像冥王星的大气层这样又稀薄又转瞬即逝的事物时,所有细节都值得被关注。这个小白矮星的直径不到1500英里(2400千米),而地球的直径为8000英里(13000千米)。这就是为什么中心闪光的出现对于这些科学家来说至关重要。这让他们有信心断言,是的,冥王星的大气层正在消失。现在的问题可能变成——如果冥王星在1979~1999年之间离太阳最近,如果“新视野号”在2015年仍然勘测出大气层在增厚,为什么在2018年我们看见它开始削弱了?为什么它不在更早前就开始减少?

其中的物理效应可以从海滩上沙子的变热过程中窥见一斑。即使太阳在正午左右散发出一天最大的热量,沙滩上的沙子在下午温度才达到最高。

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一次“延迟行动”——热惰性

冥王星的表面被冰层覆盖,并且其广阔的氮气大气层是靠着由其地表冰产生的蒸汽压力而存在——冰随着温度升高而转变为气体状态。因此冥王星在1979年~1999年之间最接近太阳时,其表面冰的温度变暖,大气层开始从地表升起。现在当冥王星在其轨道上继续离太阳越来越远时,冥王星地表冰的温度正逐步下降,但由于冰的热惰性,它储存了一些热量,温度并不是急转直下。美国西北研究院的Leslie Young另一位冥王星“新视野”任务的负责专家。她表示:

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与此相类似的是太阳加热海滩上沙子的过程。正午的阳光最强烈,但沙子会继续吸收热量,所以傍晚才是沙子温度最高的时候。冥王星大气层的持续存在表明,冥王星表面的氮冰库是通过地表下储存的热量保持温度的。但是新的数据显示,它们正开始降温。

因此在2018年冥王星掩星期间的新观测,不仅帮助科学家们了解这颗矮行星的大气层,还有助于他们更深一步研究冥王星是如何储存和释放热量的。

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图解:太阳系轨道图,包括冥王星的椭圆轨道。这幅太阳系图表明了在2021年10月冥王星的位置。冥王星在1979~1999年比海王星离太阳更近。但是随着它在椭圆轨道上移动的更远,它现在正在进入更寒冷的阶段。图源Cybersky。

总结:冥王星的大气层正在逐步消失。科学家们在2015年“新视野号”拜访冥王星和2018年掩星过程的对比中发现了其翻天覆地的变化。由于这颗星球在他的椭圆轨道上离太阳越行越远,它的大气层正在结冰并且掉落至地表。

BY:Kelly Kizer Whitt and Deborah Byrd

FY:余婕

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投稿时间:2022-05-20  最后更新:2022-05-20

标签:冥王星   奥义   大气层   地表   恒星   椭圆   面纱   沙子   轨道   闪光   温度   太阳   数据

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