天文學(xué)家在冥族小天體周?chē)l(fā)現(xiàn)稀薄大氣

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翻譯：張瀚之

校對(duì)：牧夫校對(duì)組

編排：陶邦惠

后臺(tái)：朱宸宇

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

2024 年 1 月的一次掩星觀測(cè)中，一群天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一顆海王星外的天體2002 XV93 （612533）在掩食一顆背景恒星。這顆背景恒星的光芒是緩慢變暗再恢復(fù)的，而不是突然消失，也就表明著這顆天體周?chē)嬖谝粚訕O其稀薄的大氣。
圖片來(lái)源：NAOJ / Ko Arimatsu

近期，一支來(lái)自日本的職業(yè)與業(yè)余天文學(xué)家團(tuán)隊(duì)意外地發(fā)現(xiàn)一顆運(yùn)行軌道與冥王星相似的遙遠(yuǎn)天體擁有大氣層。這是人類(lèi)第一次在除了冥王星的海王星外天體（TNO）上發(fā)現(xiàn)大氣存在的證據(jù)。

通常來(lái)說(shuō)，我們的太陽(yáng)系邊緣并不是一個(gè)容易留住空氣的地方。因?yàn)槟切┻b遠(yuǎn)的小天體質(zhì)量很小，引力也很弱，而太陽(yáng)系邊緣的溫度又低得驚人。所以，大多數(shù)氣體都難逃凍結(jié)成固態(tài)的命運(yùn)。也正是因此，科學(xué)家一直認(rèn)為這些冰冷的小世界大多是死寂一片。但編號(hào)為 (612533) 2002 XV93 的冥族小天體（Plutino），似乎是一個(gè)新發(fā)現(xiàn)的例外，推翻了我們的認(rèn)知。雖然它的直徑只有約 500 公里，但它可能擁有一層真正的大氣。2002 XV93繞太陽(yáng)運(yùn)行的半長(zhǎng)軸約是 39.6 個(gè)天文單位，與冥王星非常地接近。而且，它也像冥王星一樣，被海王星鎖定在 2:3 軌道共振（當(dāng)海王星繞太陽(yáng)轉(zhuǎn) 3 圈時(shí)，它會(huì)完成 2 圈公轉(zhuǎn)。）

2024 年 1 月，研究團(tuán)隊(duì)在日本多地同時(shí)觀測(cè)到 2002 XV93 從一顆遙遠(yuǎn)恒星前方經(jīng)過(guò)，這種現(xiàn)象其實(shí)被稱(chēng)為掩星，是一種普通的天文學(xué)現(xiàn)象。正常情況下，當(dāng)一顆堅(jiān)實(shí)的小天體擋住恒星時(shí)，恒星會(huì)像被突然關(guān)燈一樣，光源瞬間消失。但是那天，研究人員發(fā)現(xiàn)2002 XV93的背景恒星的光芒在天體真正遮擋之前，就已經(jīng)開(kāi)始慢慢變暗了。而在掩星結(jié)束后，光線也不是突然恢復(fù)，而是緩緩變亮了回來(lái)。這種漸暗到漸亮的過(guò)程，很像恒星光線在穿過(guò)一層稀薄氣體時(shí)被折射后的效果。換句話說(shuō)，2002 XV93 周?chē)芸赡艽嬖谝粚颖〉脦缀蹼y以想象的大氣。這個(gè)成果已經(jīng)發(fā)表于《自然·天文學(xué)》雜志。

這次觀測(cè)的數(shù)據(jù)來(lái)自三個(gè)地點(diǎn)，分別是京都大學(xué)D樓樓頂觀測(cè)站、木曾觀測(cè)所（Kiso Observatory）的1.05米施密特望遠(yuǎn)鏡，以及福島一位業(yè)余天文愛(ài)好者操作的一臺(tái) 25 厘米望遠(yuǎn)鏡。（這很難不讓我們感到激動(dòng)：一個(gè)業(yè)余天文觀測(cè)者，也參與了這項(xiàng)可能改變我們對(duì)太陽(yáng)系邊緣認(rèn)知的重要發(fā)現(xiàn)！）

天文學(xué)家們推算，它的大氣的表面壓強(qiáng)只有 100 到 200 納巴（nbar），大約比冥王星的大氣還要稀薄 50 到 100 倍。

項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、來(lái)自日本國(guó)立天文臺(tái)的 Ko Arimatsu 表示：“這一發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了我們長(zhǎng)期以來(lái)的看法，海王星外的天體們并不一定都是毫無(wú)活動(dòng)、永遠(yuǎn)不變的冰冷世界。”

但新的問(wèn)題也隨之出現(xiàn)：這層稀薄的大氣到底是怎么來(lái)的？研究團(tuán)隊(duì)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，如果沒(méi)有新的氣體持續(xù)補(bǔ)充，2002 XV93 的大氣會(huì)在大約 1000 年內(nèi)完全逃逸到太空中。也就是說(shuō)，它的大氣不可能天然穩(wěn)定地存在。隨后，研究人員又使用了韋伯望遠(yuǎn)鏡，卻沒(méi)有發(fā)現(xiàn)表面存在明顯的揮發(fā)性冰層（比如甲烷冰或氮冰）。這些是原本是最可能緩慢升華、維持大氣的來(lái)源冰層。

于是，目前只剩下兩種主要解釋。第一種是低溫火山說(shuō)（Cryovolcanism）：也許 2002 XV93 內(nèi)部仍然存在活動(dòng)，地下?lián)]發(fā)物通過(guò)冰火山噴發(fā)釋放到表面，然后形成了一層稀薄的氣體。這種冰火山并不是噴出巖漿，而是噴出水、氨、甲烷等低溫物質(zhì)。我知道這聽(tīng)起來(lái)很科幻，但在外太陽(yáng)系，這種現(xiàn)象并不算陌生。

第二種可能則更加偶然：也許2002 XV93近期遭遇了一次彗星撞擊，然后撞擊將被凍結(jié)在內(nèi)部的氣體釋放了出來(lái)，暫時(shí)形成了一層短暫存在的大氣。如果真是這樣，那么我們或許恰好目睹了一個(gè)極其短暫的宇宙瞬間，這聽(tīng)起來(lái)也很浪漫。

Arimatsu 表示：“未來(lái)，我們希望通過(guò)進(jìn)一步觀測(cè)，弄清楚這層大氣到底是如何形成的。我們也希望利用類(lèi)似的掩星觀測(cè)，繼續(xù)尋找其他可能擁有大氣的海王星外天體。”

太陽(yáng)系邊緣的一顆冰冷海王星外天體。
圖片來(lái)源：NASA, ESA, and G. Bacon (STScI); Science: NASA, ESA, and C. Fuentes (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics)

沒(méi)有參與這項(xiàng)研究的、來(lái)自 UCLA 的天文學(xué)家 David Jewitt 對(duì)這一發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)程表示了認(rèn)可：“這次掩星信號(hào)非常對(duì)稱(chēng)，很符合大氣層的特征。它不太可能是測(cè)量噪聲，也不像是環(huán)系統(tǒng)造成的。目前看來(lái)，最合理的解釋?zhuān)褪墙乇泶嬖谝粚託怏w包層。”

但對(duì)于大氣來(lái)源，他也坦言：“目前這兩種解釋都不算特別令人信服，不過(guò)咱們現(xiàn)有的數(shù)據(jù)也還不足以排除它們。”

另一位未參與研究的科學(xué)家、來(lái)自 Eureka Scientific 的 Bryce Bolin 則表示：“這是自冥王星之后，我們首次可能在海王星外天體上探測(cè)到大氣，非常令人興奮。”

他認(rèn)為，如果這一結(jié)果最終被證實(shí)，將意味著一些小型海王星外天體，或許也能在特定條件下保存甲烷、氮?dú)狻⒁谎趸嫉葥]發(fā)性物質(zhì)。而這會(huì)幫助科學(xué)家重新理解太陽(yáng)系形成早期，這些揮發(fā)物是如何分布、遷移并被保存下來(lái)的。

最后，Jewitt 留下了一句很有意思的話，在這里也分享給我們的讀者。“太陽(yáng)系邊緣這些寒冷、沉寂的小世界，或許并不像我們想象得那樣寒冷、那樣死寂。這提醒我們?nèi)祟?lèi)：繼續(xù)觀測(cè)吧！因?yàn)橛钪胬铮赡苓€有更多意想不到的驚喜！”

責(zé)任編輯：郭皓存

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冥王星的北部

圖片來(lái)源: NASA, Johns Hopkins Univ./APL, Southwest Research Institute