白雪公主,烟雾冷却冥王星大气

矮行星“白雪公主”由水世界变冰封死行星

烟雾冷却冥王星大气 该研究有助了解太阳系及太阳系外其他天体

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本报讯 距离太阳50亿公里的冥王星的大气层比人们想象的要冷得多。一项新的研究表明,这或许是由笼罩在这颗矮行星上的烟雾造成的。

虽然这颗编号为2007 OR10的行星被昵称为“白雪公主”,但实际上它表面覆盖了一层冰

美国加利福尼亚大学圣克鲁斯分校行星科学家张希表示:“烟雾是大气层冷却的罪魁祸首。”他和同事在11月16日出版的《自然》杂志上报告了这一发现。

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2015年7月,当美国宇航局的“新视野”号探测器飞过冥王星时,它发现这颗矮行星的大气温度大约是零下203摄氏度,仅比绝对零度高70摄氏度。这比之前科学家预测的温度低了30摄氏度,同时也让行星科学家们感到巨大的困惑。

“白雪公主”位于太阳系边缘的柯伊伯带里

搞清冥王星的大气是如何运行的对于了解太阳系及太阳系外的其他巨大冰冻天体的大气是至关重要的。“除非我们知道造成这种寒冷温度的原因,否则我们无法推断冥王星其他季节的情况,更不用说其他天体了。”没有参与这项研究的科罗拉多州博尔德市西南研究所行星科学家Leslie Young说。

北京时间10月29日消息,美国加州理工学院的一项研究称,位于太阳系边缘的矮行星“白雪公主”曾是一个火山不断爆发的世界,但是现在它的一半表面已经被水冰覆盖。

冥王星的大气层主要是由氮构成的,同时含有少量的化合物,如甲烷。在大气层的高处——距离冥王星表面500公里到1000公里的区域,阳光会引发化学反应,从而将这些气体转化成固体碳氢化合物颗粒。

科学家还发现,这颗淡红色的行星可能还覆盖着很薄的一层甲烷,这是逐渐逃逸到太空里的大气层的残余物。该研究的第一论文作者迈克-布朗说:“你从这张照片里看到的行星,曾是一个充满水火山,并拥有大气层的活跃世界,而现在它只是一个冰封的死亡世界,大气已经逐渐消散不见了。”

这些颗粒随后向下漂移,在距离冥王星表面约350公里处,与其他粒子形成长化学链。当它们到达距离矮行星表面200公里的高度时,这些颗粒已经变成了厚厚的一层烟雾,这也就是“新视野号”探测器所观测到的像被包裹住的冥王星。

2007年首次发现这颗被正式编号为2007 OR10的行星时,布朗和他的同事们猜测它是从另一颗名叫妊神星的矮行星上脱落下来的,表面覆盖着水冰。进一步的观察显示,体积大约是冥王星的一半的“白雪公主”,与柯伊伯带里的其他行星一样,拥有微红色的光带,因此不可能蕴藏着任何形式的水体。然而令加州理工学院的科学家感到吃惊的是,光谱显示“白雪公主”的表面实际上覆盖着水冰。

张希和他的同事将大气层气体分子的加热和冷却效应与烟雾颗粒进行了比较。早期的研究表明,诸如氰化氢等气体分子的存在有助于解释为什么冥王星的大气层是如此的寒冷。但是,张希的团队发现,只有将烟雾包括在内才能使他们的模型与“新视野”号探测器飞越冥王星时所测量到的温度相匹配。

布朗说:“这令人非常震惊。水冰并不是红色的。”尽管在外太阳系水冰很常见,但它们大多是白色的。“红色与水的结合告诉我们,那里存在‘甲烷’。我们基本上正在着眼于‘白雪公主’的追后喘息。长达45亿年间,这颗行星一直位于那里,并逐渐失去了它的大气层,现在只剩下很少一部分。”另外一颗也是红色的,而且被水冰覆盖的海王星外天体(Trans-Neptunian object)是夸欧尔,它是布朗及其科研组在2002年发现的。

“根本的区别在于大小。”张希说。分子的直径通常小于1纳米,而烟雾颗粒的直径却有几百纳米。这意味着气体和烟雾在吸收和重新辐射太阳能量的方式上有很大的不同。张希说,烟雾能够比气体更有效地加热和冷却环境。

他们认为,这颗行星稍微比“白雪公主”小一些,而且曾经拥有由甲烷、一氧化碳和氮组成的大气。但是它的引力可能还不足以束缚住这些化学物质,因此这个冰世界逐渐失去了它的大气。除了甲烷以外,其他气体都逃逸到浩瀚无边的太空里,而太空中的放射物又把甲烷分子转变成长烃链。这些用科学家的仪器看起来是红色的东西,表明发生在夸欧尔身上的事情,“白雪公主”也曾发生过。尽管“白雪公主”的光谱显然表明它存在水冰,但是布朗表示,有关甲烷的证据还不确定,目前仍在进行研究。

马里兰州巴尔的摩市约翰斯:霍普金斯大学行星科学家Sarah Horst认为:“这是一个很好的想法。”

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法国巴黎市动态气象实验室行星科学家Tanguy Bertrand指出,科学家们之前可能并未把烟雾视为冷却的罪魁祸首,因为烟雾层并没有阻挡阳光。他和同事Francois Forget研究了冥王星的大气层。Bertrand说:“我觉得这项研究很有说服力。”

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但是其他研究人员提出了不同的观点,用以解释为什么冥王星的大气层是如此寒冷。Roger Yelle是图森市亚利桑那大学的一名行星科学家,他在9月于拉脱维亚召开的一次会议上报告了一种方法。他的研究小组的模型显示,氰化氢、乙炔和乙烷气体的混合物可以使物体降温。众所周知,这3种气体都存在于冥王星的大气层中。

张希的团队和Yelle的团队还没有调和他们相互矛盾的结论。但在NASA的詹姆斯:韦伯太空望远镜于2019年发射后,将可以测试张希的假设。如果这些烟雾颗粒确实是使冥王星大气层冷却的主要因素,那么它们将使矮行星在中红外波长中显得更加明亮。张希打算用詹姆斯:韦伯太空望远镜观察冥王星,看看自己的结论是否正确。

冥王星曾被看作太阳系第九大行星。但国际天文学联合会于2006年对大行星重新定义,冥王星被“开除”而降级为矮行星。冥王星体积很小且与地球相距遥远,人们对它知之甚少。

“新视野”号探测器于2006年1月17日发射升空,主要目的是对冥王星、冥卫一等柯伊伯带天体进行考察。该探测器于美国东部时间2015年7月14日近距离飞过冥王星,成为首个探测这颗遥远矮行星的人类探测器。之后,“新视野”号探测器仍继续前行,进入太阳系边缘神秘的柯伊伯带,那里可能隐藏着数以千计的冰冻岩石小天体。如果一切顺利,“新视野”号将成为人类第一个探索柯伊伯带的深空探测器。

《中国科学报》 (2017-11-21 第2版 国际)

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