冥王星的"呼吸"改变了它的卫星的颜色

美国国家航空航天局（NASA）的詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）对冥王星进行了令人叹为观止的全新观测，揭示了其遥远地表的剧烈活动。科学家们观察到冰物质在地表移动的季节性变化——更令人惊讶的是，冥王星大气中的粒子似乎正在太空中漂移，并落到其最大的卫星卡戎上。这种星球间怪异的气体交换是我们在太阳系其他任何地方都从未见过的。

美国宇航局的新视野号探测器拍摄了这张冥王星表面被大气雾霾笼罩的照片。图片来源：NASA/JHUAPL/SwRI

这些令人着迷的发现是今年春季一个国际研究团队发表的一系列研究成果的一部分。对于团队中的一位科学家——加州大学圣克鲁兹分校的张曦来说，这些发现尤其意义非凡。这项最新研究于6月2日发表在《自然天文学》杂志上，证实了他多年前对冥王星异常大气层的一个大胆预测，该预测最初是由美国宇航局2015年新视野号飞掠地球时的数据引发的。

当时，冥王星已被重新归类为矮行星，但人们对其复杂特征的兴趣却与日俱增。2015年的飞掠让我们得以近距离观察这颗位于太阳系外缘的冰冻星球。

在新视野号对冥王星进行观测之后，张教授于2017年发表了一篇论文，假设冥王星的大气主要由雾霾粒子组成，这使得它的大气与太阳系其他大气截然不同。作为地球与行星科学教授的张教授认为，这些雾霾粒子会升温、降温，从而控制着冥王星大气的整体能量平衡。

“这是一个疯狂的想法，”张教授说道，并补充说当时他的许多同行都对此表示怀疑。但他和他的合著者在2017年的论文中也做出了一个明确的预测：如果雾霾正在冷却冥王星，它应该会发出强烈的中红外辐射，而一旦天文学家拥有足够大、足够强大的望远镜，就应该能够观测到这种辐射。

2021年12月25日，阿丽亚娜空间公司的阿丽亚娜5号火箭将搭载美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜从位于法属圭亚那库鲁圭亚那航天中心欧洲航天港的ELA-3发射区发射升空。詹姆斯·韦伯太空望远镜（有时也称为JWST或Webb）是一架大型红外望远镜，主镜直径达21.3英尺（6.5米）。该天文台将研究宇宙历史的各个阶段——从太阳系内部到早期宇宙中最遥远的可观测星系。图片来源：NASA/Bill Ingalls

这一刻在2021年圣诞节到来，NASA将詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）发射升空，使其观测结果远超过去几十年地面望远镜的观测成果。张教授表示，JWST的此次研究源于他2017年的假设。“我们非常自豪，因为它证实了我们的预测，”他说。“在行星科学领域，一个假设能在短短几年内得到如此迅速的证实并不常见。所以我们感到非常幸运和兴奋。”

2015年飞掠冥王星时，我们发现了一个拥有惊人地貌的世界，其特征包括复杂的地形——盆地、山脉和山谷；持续的地质活动，例如氮气（N₂）和甲烷（CH₄）冰川；以及富含挥发性化合物（例如N₂、CH₄和一氧化碳）的大气。冥王星朦胧的大气是由甲烷和氮气的光化学反应共同形成的，类似于土星卫星泰坦周围的雾霾。

相比之下，冥卫一则缺乏大气层，其表面更为均匀，主要由水冰和氨基化合物混合而成。冥卫一较暗、略带红色的极地区域被认为是冥王星大气中逸出的CH₄分子被捕获并发生化学转化的结果。

詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）最近的观测为这个遥远的系统提供了全新的视角。正如今年春季发表的一系列论文所述，该望远镜的MIRI仪器首次能够分别测量冥王星和冥卫一的中红外热辐射，并以18、21和25微米的光变曲线形式呈现。

随后，该仪器于2023年5月捕获了冥王星及其大气的高质量中红外光谱（4.9-27微米）。由于早期仪器灵敏度不足，这一光谱范围此前从未被探索过，它揭示了意想不到的丰富化学成分，有助于更好地理解大气过程和冥王星冰层的起源。

JWST 的光变曲线还揭示了冥王星和冥卫一自转过程中表面热辐射的变化。通过将这些数据与热模型进行比较，研究人员能够对冥王星和冥卫一不同区域的热惯性、发射率和温度施加严格的约束。这些特性正是冥王星全球冰分布以及大气分子向冥卫一外流的原因。

JWST 的新数据也证实了以前的博士生、 《自然天文学》论文的另一位合著者万林峰提出的第二个预测。新的观测结果与他们 2023 年对冥卫一自转光变曲线振幅研究中的核心预测非常吻合。

“冥王星在行星大气行为的演化过程中占据着非常独特的位置。因此，这让我们有机会拓展对雾霾在极端环境下如何演化的理解，”张解释说。“而且不仅仅是冥王星——我们知道海王星的卫星海卫一和土星的卫星土卫六也拥有类似的充满雾霾颗粒的氮气和碳氢化合物大气。因此，我们也需要重新思考它们的作用。”

张教授补充道，两者之间还有更深层次的联系。“大约24亿年前，在地球大气中氧气形成之前，生命就已经存在了。但那时的地球大气完全不同——没有氧气，主要成分是氮气，以及大量的碳氢化合物，”他说。“因此，通过研究冥王星的雾霾和化学成分，我们或许能对早期地球宜居的环境有新的认识。”

编译自/ScitechDaily