天文学家在冥族小天体周围发现稀薄大气

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翻译：张瀚之

校对：牧夫校对组

编排：陶邦惠

后台：朱宸宇

https://skyandtelescope.org/astronomy-news/pluto-like-object-has-an-atmosphere/

2024 年 1 月的一次掩星观测中，一群天文学家们发现了一颗海王星外的天体2002 XV93 （612533）在掩食一颗背景恒星。这颗背景恒星的光芒是缓慢变暗再恢复的，而不是突然消失，也就表明着这颗天体周围存在一层极其稀薄的大气。
图片来源：NAOJ / Ko Arimatsu

近期，一支来自日本的职业与业余天文学家团队意外地发现一颗运行轨道与冥王星相似的遥远天体拥有大气层。这是人类第一次在除了冥王星的海王星外天体（TNO）上发现大气存在的证据。

通常来说，我们的太阳系边缘并不是一个容易留住空气的地方。因为那些遥远的小天体质量很小，引力也很弱，而太阳系边缘的温度又低得惊人。所以，大多数气体都难逃冻结成固态的命运。也正是因此，科学家一直认为这些冰冷的小世界大多是死寂一片。但编号为 (612533) 2002 XV93 的冥族小天体（Plutino），似乎是一个新发现的例外，推翻了我们的认知。虽然它的直径只有约 500 公里，但它可能拥有一层真正的大气。2002 XV93绕太阳运行的半长轴约是 39.6 个天文单位，与冥王星非常地接近。而且，它也像冥王星一样，被海王星锁定在 2:3 轨道共振（当海王星绕太阳转 3 圈时，它会完成 2 圈公转。）

2024 年 1 月，研究团队在日本多地同时观测到 2002 XV93 从一颗遥远恒星前方经过，这种现象其实被称为掩星，是一种普通的天文学现象。正常情况下，当一颗坚实的小天体挡住恒星时，恒星会像被突然关灯一样，光源瞬间消失。但是那天，研究人员发现2002 XV93的背景恒星的光芒在天体真正遮挡之前，就已经开始慢慢变暗了。而在掩星结束后，光线也不是突然恢复，而是缓缓变亮了回来。这种渐暗到渐亮的过程，很像恒星光线在穿过一层稀薄气体时被折射后的效果。换句话说，2002 XV93 周围，很可能存在一层薄得几乎难以想象的大气。这个成果已经发表于《自然·天文学》杂志。

这次观测的数据来自三个地点，分别是京都大学D楼楼顶观测站、木曾观测所（Kiso Observatory）的1.05米施密特望远镜，以及福岛一位业余天文爱好者操作的一台 25 厘米望远镜。（这很难不让我们感到激动：一个业余天文观测者，也参与了这项可能改变我们对太阳系边缘认知的重要发现！）

天文学家们推算，它的大气的表面压强只有 100 到 200 纳巴（nbar），大约比冥王星的大气还要稀薄 50 到 100 倍。

项目负责人、来自日本国立天文台的 Ko Arimatsu 表示：“这一发现挑战了我们长期以来的看法，海王星外的天体们并不一定都是毫无活动、永远不变的冰冷世界。”

但新的问题也随之出现：这层稀薄的大气到底是怎么来的？研究团队计算发现，如果没有新的气体持续补充，2002 XV93 的大气会在大约 1000 年内完全逃逸到太空中。也就是说，它的大气不可能天然稳定地存在。随后，研究人员又使用了韦伯望远镜，却没有发现表面存在明显的挥发性冰层（比如甲烷冰或氮冰）。这些是原本是最可能缓慢升华、维持大气的来源冰层。

于是，目前只剩下两种主要解释。第一种是低温火山说（Cryovolcanism）：也许 2002 XV93 内部仍然存在活动，地下挥发物通过冰火山喷发释放到表面，然后形成了一层稀薄的气体。这种冰火山并不是喷出岩浆，而是喷出水、氨、甲烷等低温物质。我知道这听起来很科幻，但在外太阳系，这种现象并不算陌生。

第二种可能则更加偶然：也许2002 XV93近期遭遇了一次彗星撞击，然后撞击将被冻结在内部的气体释放了出来，暂时形成了一层短暂存在的大气。如果真是这样，那么我们或许恰好目睹了一个极其短暂的宇宙瞬间，这听起来也很浪漫。

Arimatsu 表示：“未来，我们希望通过进一步观测，弄清楚这层大气到底是如何形成的。我们也希望利用类似的掩星观测，继续寻找其他可能拥有大气的海王星外天体。”

太阳系边缘的一颗冰冷海王星外天体。
图片来源：NASA, ESA, and G. Bacon (STScI); Science: NASA, ESA, and C. Fuentes (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics)

没有参与这项研究的、来自 UCLA 的天文学家 David Jewitt 对这一发现远程表示了认可：“这次掩星信号非常对称，很符合大气层的特征。它不太可能是测量噪声，也不像是环系统造成的。目前看来，最合理的解释，就是近地表存在一层气体包层。”

但对于大气来源，他也坦言：“目前这两种解释都不算特别令人信服，不过咱们现有的数据也还不足以排除它们。”

另一位未参与研究的科学家、来自 Eureka Scientific 的 Bryce Bolin 则表示：“这是自冥王星之后，我们首次可能在海王星外天体上探测到大气，非常令人兴奋。”

他认为，如果这一结果最终被证实，将意味着一些小型海王星外天体，或许也能在特定条件下保存甲烷、氮气、一氧化碳等挥发性物质。而这会帮助科学家重新理解太阳系形成早期，这些挥发物是如何分布、迁移并被保存下来的。

最后，Jewitt 留下了一句很有意思的话，在这里也分享给我们的读者。“太阳系边缘这些寒冷、沉寂的小世界，或许并不像我们想象得那样寒冷、那样死寂。这提醒我们人类：继续观测吧！因为宇宙里，可能还有更多意想不到的惊喜！”

责任编辑：郭皓存

牧夫新媒体编辑部

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冥王星的北部

图片来源: NASA, Johns Hopkins Univ./APL, Southwest Research Institute