科学家利用掩星事件来确认冥王星大气密度的减少

冥王星的雄伟的山脉

2015年7月14日,在距离冥王星最近的15分钟后,美国国家航空航天局的“新视野号”(New Horizons)宇宙飞船回望太阳,捕捉到了这张日落时分的照片,上面是延伸至冥王星地平线的崎岖、冰冷的山脉和平坦的冰原。来源:美国宇航局/约翰霍普金斯大学应用物理实验室/西南研究所

冥王星2018年8月15日晚,当冥王星从一颗恒星前面经过时,美国西南研究所领导的天文学家团队在美国和墨西哥的多个地点部署了望远镜,观察冥王星的大气层,因为它被这颗位置正确的恒星短暂地背光。科学家们利用这次掩星事件来测量冥王星稀薄大气的总体丰度,并发现了令人信服的证据,表明它正开始消失,随着它离太阳越来越远,重新冻结在其表面。

这个掩星过程大约持续了两分钟,在此期间,由于冥王星的大气层和固体从它面前经过,这颗恒星从视野中消失了。恒星消失和重新出现的速度决定了冥王星大气的密度分布。

冥王星大气

2018年8月15日晚,当冥王星从一颗恒星前面经过时,一个由swri领导的天文学家团队测量了冥王星大气的丰度,这在“新视野”2015年飞越数据中显示,因为它被这颗位置正确的恒星短暂地背光。这些数据表明,冥王星的表面压力正在下降,它的氮气大气正在凝结,在其表面形成冰,因为该物体远离太阳。来源:美国国家航空航天局/ JHU-APL / SwRI

“自1988年以来,科学家们一直在利用掩星来监测冥王星大气的变化,”SwRI空间科学与工程部的高级项目经理艾略特·杨(Eliot Young)博士说。“新视野号在2015年的飞越中获得了一个极好的密度剖面,与冥王星的大气体积每十年翻一番一致,但我们2018年的观测表明,这一趋势不会从2015年开始延续。”

几个部署在阴影路径中间的望远镜观察到一种被称为“中心闪光”的现象,这是由冥王星的大气层将光线折射到阴影的正中心区域造成的。当测量一个有大气层的物体周围的掩星时,光在穿过大气层时变暗,然后逐渐返回。这在u形光曲线的两端产生了一个适度的斜率。2018年,冥王星大气层的折射在其阴影中心附近产生了一道中心闪光,将其变成了w形曲线。

冥王星Occulation影子

在2018年8月15日的冥王星掩星事件中,部署在阴影路径中间附近的几架望远镜观测到了一种被称为“中心闪光”的现象,这是由冥王星的大气层将光线折射到阴影的正中心区域造成的。中央的闪光表明掩星数据非常可靠,支持了SwRI的发现,证实了冥王星的大气层在离太阳更远的时候冻结在其表面。来源:美国国家航空航天局/ SwRI

“2018年观测到的中央闪光是迄今为止在冥王星掩星中观测到的最强闪光,”杨说。“中央闪光让我们非常准确地了解了冥王星在地球上的阴影路径。”

和地球一样,冥王星的大气层主要是氮气。与地球不同的是,冥王星的大气是由其表面冰的蒸汽压支撑的,这意味着表面冰的温度的微小变化会导致其大气的体积密度的大变化。冥王星绕太阳公转一周需要248地球年,它距离太阳的距离从最近点到太阳大约30个天文单位(1个天文单位是地球到太阳的距离)到50个天文单位不等。

在过去的25年里,随着冥王星离太阳越来越远,它接收到的阳光越来越少,但直到2018年,它的表面压力和大气密度继续增加。科学家将此归因于一种叫做热惯性的现象。

“与此类似的是太阳加热海滩上的沙子的方式,”SwRI的科学家莱斯利·杨博士(Leslie Young)说,他专门研究外太阳系冰质天体的表面和大气之间的相互作用。“正午的阳光最强烈,但沙子会在整个下午继续吸收热量,所以下午晚些时候是最热的。冥王星大气的持续存在表明,冥王星表面的氮冰库是通过地表下储存的热量来保持温暖的。新的数据表明,它们正在开始降温。”

已知最大的氮储藏库是Sputnik Planitia冰川,它是一个明亮的冰川,构成了心形汤博雷区的西部叶。这些数据将有助于大气建模人员提高对冥王星次表层的理解,特别是关于与观测到的热传递限制相一致的成分。

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