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(guò)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(jiàn)。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(guò)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(guò)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(lái)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(yáng)轉(zhuǎn)一圈。在冥王星的一年中，它與太陽(yáng)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(wàn)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(yáng)，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(kāi)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(lái)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，冥王星的大氣壓增加了三倍。

　　自 20 世紀(jì) 90 年代以來(lái)，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(guò)這些來(lái)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(guò) 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(guò)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(jiàn)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(lái)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(lái)，然后逐漸釋放，這一過(guò)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(yáng)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(shuō)明了地面觀測(cè)和空間觀測(cè)之間的互補(bǔ)性。如果沒(méi)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(méi)有對(duì)冥王星大氣的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，其氣候模型也將無(wú)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(guò)。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(guò)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(guò)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(yáng)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(guò)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(guò)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(lái)，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(lái)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(lái)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(lái)十年同樣高精度的星歷。

　　因此，未來(lái)天文學(xué)家將可能通過(guò)觀察冥王星的其他掩星事件來(lái)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(lái)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(lái)的二十分之一，表面覆蓋著一層薄薄的有光澤的“白霜”呢?
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