美國國家航空航天局（NASA）的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）對冥王星進行了令人嘆為觀止的全新觀測，揭示了其遙遠地表的劇烈活動?？茖W家們觀察到冰物質在地表移動的季節(jié)性變化——更令人驚訝的是，冥王星大氣中的粒子似乎正在太空中漂移，并落到其最大的衛(wèi)星卡戎上。這種星球間怪異的氣體交換是我們在太陽系其他任何地方都從未見過的。

美國宇航局的新視野號探測器拍攝了這張冥王星表面被大氣霧霾籠罩的照片。圖片來源：NASA/JHUAPL/SwRI

這些令人著迷的發(fā)現(xiàn)是今年春季一個國際研究團隊發(fā)表的一系列研究成果的一部分。對于團隊中的一位科學家——加州大學圣克魯茲分校的張曦來說，這些發(fā)現(xiàn)尤其意義非凡。這項最新研究于6月2日發(fā)表在《自然天文學》雜志上，證實了他多年前對冥王星異常大氣層的一個大膽預測，該預測最初是由美國宇航局2015年新視野號飛掠地球時的數(shù)據(jù)引發(fā)的。

當時，冥王星已被重新歸類為矮行星，但人們對其復雜特征的興趣卻與日俱增。2015年的飛掠讓我們得以近距離觀察這顆位于太陽系外緣的冰凍星球。

在新視野號對冥王星進行觀測之后，張教授于2017年發(fā)表了一篇論文，假設冥王星的大氣主要由霧霾粒子組成，這使得它的大氣與太陽系其他大氣截然不同。作為地球與行星科學教授的張教授認為，這些霧霾粒子會升溫、降溫，從而控制著冥王星大氣的整體能量平衡。

“這是一個瘋狂的想法，”張教授說道，并補充說當時他的許多同行都對此表示懷疑。但他和他的合著者在2017年的論文中也做出了一個明確的預測：如果霧霾正在冷卻冥王星，它應該會發(fā)出強烈的中紅外輻射，而一旦天文學家擁有足夠大、足夠強大的望遠鏡，就應該能夠觀測到這種輻射。

2021年12月25日，阿麗亞娜空間公司的阿麗亞娜5號火箭將搭載美國宇航局的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡從位于法屬圭亞那庫魯圭亞那航天中心歐洲航天港的ELA-3發(fā)射區(qū)發(fā)射升空。詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（有時也稱為JWST或Webb）是一架大型紅外望遠鏡，主鏡直徑達21.3英尺（6.5米）。該天文臺將研究宇宙歷史的各個階段——從太陽系內部到早期宇宙中最遙遠的可觀測星系。圖片來源：NASA/Bill Ingalls

這一刻在2021年圣誕節(jié)到來，NASA將詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）發(fā)射升空，使其觀測結果遠超過去幾十年地面望遠鏡的觀測成果。張教授表示，JWST的此次研究源于他2017年的假設。“我們非常自豪，因為它證實了我們的預測，”他說?！霸谛行强茖W領域，一個假設能在短短幾年內得到如此迅速的證實并不常見。所以我們感到非常幸運和興奮?！?/p>

2015年飛掠冥王星時，我們發(fā)現(xiàn)了一個擁有驚人地貌的世界，其特征包括復雜的地形——盆地、山脈和山谷；持續(xù)的地質活動，例如氮氣（N?）和甲烷（CH?）冰川；以及富含揮發(fā)性化合物（例如N?、CH?和一氧化碳）的大氣。冥王星朦朧的大氣是由甲烷和氮氣的光化學反應共同形成的，類似于土星衛(wèi)星泰坦周圍的霧霾。

相比之下，冥衛(wèi)一則缺乏大氣層，其表面更為均勻，主要由水冰和氨基化合物混合而成。冥衛(wèi)一較暗、略帶紅色的極地區(qū)域被認為是冥王星大氣中逸出的CH?分子被捕獲并發(fā)生化學轉化的結果。

詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）最近的觀測為這個遙遠的系統(tǒng)提供了全新的視角。正如今年春季發(fā)表的一系列論文所述，該望遠鏡的MIRI儀器首次能夠分別測量冥王星和冥衛(wèi)一的中紅外熱輻射，并以18、21和25微米的光變曲線形式呈現(xiàn)。

隨后，該儀器于2023年5月捕獲了冥王星及其大氣的高質量中紅外光譜（4.9-27微米）。由于早期儀器靈敏度不足，這一光譜范圍此前從未被探索過，它揭示了意想不到的豐富化學成分，有助于更好地理解大氣過程和冥王星冰層的起源。

JWST 的光變曲線還揭示了冥王星和冥衛(wèi)一自轉過程中表面熱輻射的變化。通過將這些數(shù)據(jù)與熱模型進行比較，研究人員能夠對冥王星和冥衛(wèi)一不同區(qū)域的熱慣性、發(fā)射率和溫度施加嚴格的約束。這些特性正是冥王星全球冰分布以及大氣分子向冥衛(wèi)一外流的原因。

JWST 的新數(shù)據(jù)也證實了以前的博士生、 《自然天文學》論文的另一位合著者萬林峰提出的第二個預測。新的觀測結果與他們 2023 年對冥衛(wèi)一自轉光變曲線振幅研究中的核心預測非常吻合。

“冥王星在行星大氣行為的演化過程中占據(jù)著非常獨特的位置。因此，這讓我們有機會拓展對霧霾在極端環(huán)境下如何演化的理解，”張解釋說?！岸也粌H僅是冥王星——我們知道海王星的衛(wèi)星海衛(wèi)一和土星的衛(wèi)星土衛(wèi)六也擁有類似的充滿霧霾顆粒的氮氣和碳氫化合物大氣。因此，我們也需要重新思考它們的作用?！?/p>

張教授補充道，兩者之間還有更深層次的聯(lián)系?！按蠹s24億年前，在地球大氣中氧氣形成之前，生命就已經(jīng)存在了。但那時的地球大氣完全不同——沒有氧氣，主要成分是氮氣，以及大量的碳氫化合物，”他說?！耙虼?，通過研究冥王星的霧霾和化學成分，我們或許能對早期地球宜居的環(huán)境有新的認識。”

編譯自/ScitechDaily