歷時30年的掩星觀測：揭示冥王星大氣壓變化之謎

　　北京時間 10 月 15 日消息，據國外媒體報道，每當冥王星經過一顆恒星的前面時，我們就能探測到有關其大氣層的寶貴信息。之所以寶貴，是因為冥王星的掩星現象非常罕見。在 2019 年 5 月 10 日的《天文學和天體物理學》雜志上，發表了一項由巴黎天文臺的研究人員經過幾十年觀測而得的研究結果。根據“新視野號”探測器于 2015 年收集的數據，科學家對冥王星掩星過程的物理參數進行了解釋，這些參數對于更好地了解冥王星的氣候，以及預測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氣構成，但比較僅限于此。冥王星軌道在海王星之外，要花 248 個地球年才能繞太陽轉一圈。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，導致了極端的季節循環。

　　冥王星表面溫度極低，可低于-230℃(40°K)。那里存在一種固態-氣態平衡，其中稀薄的大氣基本為氮氣，與表面冰層共存。據估計，如今冥王星的氮蒸氣的壓力穩定在 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，因此其兩極會出現連續數十年的白晝，然后是同樣漫長的極夜。這導致了冥王星表面揮發性物質如氮、甲烷和一氧化碳的重新分布，并形成復雜的物質循環。冥王星在 1988 年到達晝夜平分點，然后在 1989 年移動到近日點(30au)。從那時起，這顆矮行星就不斷地遠離太陽，在 2016 年時距離達到了 32ua，這意味著它的平均日照減少了 25%。

　　預測與結果的矛盾

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

　　如果你以為冥王星的大氣壓會因此急劇下降，那就想得太簡單了。根據氮的氣-冰平衡，表面每降低一個開氏度，氣壓就應該降低一倍。然而觀測結果恰恰相反。2019 年 5 月 10 日發表在《天文學和天體物理學》雜志上的這篇文章提供了證據。文章中分析了近 30 年來在冥王星北半球春季觀測到的十幾次恒星掩星，發現 1988 年至 2016 年間，冥王星的大氣壓增加了三倍。

　　自 20 世紀 90 年代以來，冥王星的全球氣候模型(GCM)就已經將這種自相矛盾的情況考慮在內，但該結果并不確定，只是眾多情況之一。模型的幾個重要參數仍然受到觀測結果的限制。如今，通過這些來自地球的恒星掩星觀測結果，加上 2015 年 7 月美國國家航空航天局(NASA)新視野號(New Horizons)探測器飛越冥王星時收集的數據，天文學家可以描繪出更加精確的場景模型。

　　新視野號繪制了這顆矮行星表面冰層的分布和地形，揭示了一個直徑超過 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，它可以調節這顆矮行星的大氣循環。

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

　　此外，掩星觀測結果限制了模型中的下層土熱慣量，解釋了從到達近日點(1989 年)至今，30 年來仍然可以觀測到的氣壓增長相移。下層土先是將熱量儲存起來，然后逐漸釋放，這一過程還在進行之中。掩星觀測結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，這些觀測消除了在冥王星南半球存在氮儲集層的可能性(目前處于極夜)，否則表面最大氣壓的出現要比觀測到的結果早得多。

　　這項研究很好地說明了地面觀測和空間觀測之間的互補性。如果沒有“新視野號”的飛掠，我們對冥王星表面冰層的分布和地形將仍然未知;如果沒有對冥王星大氣的長期監測，其氣候模型也將無法受到約束。

　　什么是掩星?

2019 年 9 月 5 日掩星時冥王星在天空中的位置

　　巧合的是，在 20 世紀的最后幾十年和 21 世紀的頭幾十年里，地球、冥王星和遙遠的銀河系中心稠密的恒星場幸運地排成了一線。這一巧合意味著冥王星會相對頻繁地從我們和背景恒星之間經過。當這種情況發生時，它的影子會落在地球上。天文學家將這種現象稱為掩星。

　　在掩星期間，任何恰好位于陰影路徑內的天文臺都可以進行觀測到，當冥王星經過恒星前方時，它似乎消失了，然后隨著行星排列的變化，它又重新出現。對于地球表面的任何地方，冥王星的掩星過程最多持續幾分鐘。

　　掩星技術被廣泛應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、衛星、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到的結果，可以計算出掩星天體的大小和形狀。如果這個物體有大氣層，那么當星光閃爍幾秒鐘后又重新出現時，星光在穿過其大氣層時就會因吸收和折射而改變。

　　自從 20 世紀 80 年代第一次成功的掩星觀測以來，一系列結果已經幫助天文學家建立了對冥王星半徑越來越精確的測量方法，并不斷加深我們對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，右側為冥衛一“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 個位置，在天空中的精度達到了幾毫弧秒(mas)。這樣的精度，還要歸功于歐洲空間局蓋亞任務第二階段數據的發布。在此基礎上，研究人員可以計算出冥王星在未來十年同樣高精度的星歷。

　　因此，未來天文學家將可能通過觀察冥王星的其他掩星事件來監測其氣候。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。未來的觀測可能證實，或者否定這一預測。我們會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減少到原來的二十分之一，表面覆蓋著一層薄薄的有光澤的“白霜”呢?
　　（邯鄲網站數據）