天文學家在冥族小天體周圍發現稀薄大氣

周一 · 知古通今|周二 · 牧夫專欄

周三 · 風月同天|周四 · 觀測指南

周五 · 深空探測|周六 · 茶余星話|周日 · 天象預報

翻譯：張瀚之

校對：牧夫校對組

編排：陶邦惠

后臺：朱宸宇

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

2024 年 1 月的一次掩星觀測中，一群天文學家們發現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的，而不是突然消失，也就表明著這顆天體周圍存在一層極其稀薄的大氣。
圖片來源：NAOJ / Ko Arimatsu

近期，一支來自日本的職業與業余天文學家團隊意外地發現一顆運行軌道與冥王星相似的遙遠天體擁有大氣層。這是人類第一次在除了冥王星的海王星外天體（TNO）上發現大氣存在的證據。

通常來說，我們的太陽系邊緣并不是一個容易留住空氣的地方。因為那些遙遠的小天體質量很小，引力也很弱，而太陽系邊緣的溫度又低得驚人。所以，大多數氣體都難逃凍結成固態的命運。也正是因此，科學家一直認為這些冰冷的小世界大多是死寂一片。但編號為 (612533) 2002 XV93 的冥族小天體（Plutino），似乎是一個新發現的例外，推翻了我們的認知。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繞太陽運行的半長軸約是 39.6 個天文單位，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（當海王星繞太陽轉 3 圈時，它會完成 2 圈公轉。）

2024 年 1 月，研究團隊在日本多地同時觀測到 2002 XV93 從一顆遙遠恒星前方經過，這種現象其實被稱為掩星，是一種普通的天文學現象。正常情況下，當一顆堅實的小天體擋住恒星時，恒星會像被突然關燈一樣，光源瞬間消失。但是那天，研究人員發現2002 XV93的背景恒星的光芒在天體真正遮擋之前，就已經開始慢慢變暗了。而在掩星結束后，光線也不是突然恢復，而是緩緩變亮了回來。這種漸暗到漸亮的過程，很像恒星光線在穿過一層稀薄氣體時被折射后的效果。換句話說，2002 XV93 周圍，很可能存在一層薄得幾乎難以想象的大氣。這個成果已經發表于《自然·天文學》雜志。

這次觀測的數據來自三個地點，分別是京都大學D樓樓頂觀測站、木曾觀測所（Kiso Observatory）的1.05米施密特望遠鏡，以及福島一位業余天文愛好者操作的一臺 25 厘米望遠鏡。（這很難不讓我們感到激動：一個業余天文觀測者，也參與了這項可能改變我們對太陽系邊緣認知的重要發現！）

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

項目負責人、來自日本國立天文臺的 Ko Arimatsu 表示：“這一發現挑戰了我們長期以來的看法，海王星外的天體們并不一定都是毫無活動、永遠不變的冰冷世界。”

但新的問題也隨之出現：這層稀薄的大氣到底是怎么來的？研究團隊計算發現，如果沒有新的氣體持續補充，2002 XV93 的大氣會在大約 1000 年內完全逃逸到太空中。也就是說，它的大氣不可能天然穩定地存在。隨后，研究人員又使用了韋伯望遠鏡，卻沒有發現表面存在明顯的揮發性冰層（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（Cryovolcanism）：也許 2002 XV93 內部仍然存在活動，地下揮發物通過冰火山噴發釋放到表面，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。我知道這聽起來很科幻，但在外太陽系，這種現象并不算陌生。

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，然后撞擊將被凍結在內部的氣體釋放了出來，暫時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極其短暫的宇宙瞬間，這聽起來也很浪漫。

Arimatsu 表示：“未來，我們希望通過進一步觀測，弄清楚這層大氣到底是如何形成的。我們也希望利用類似的掩星觀測，繼續尋找其他可能擁有大氣的海王星外天體。”

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

沒有參與這項研究的、來自 UCLA 的天文學家 David Jewitt 對這一發現遠程表示了認可：“這次掩星信號非常對稱，很符合大氣層的特征。它不太可能是測量噪聲，也不像是環系統造成的。目前看來，最合理的解釋，就是近地表存在一層氣體包層。”

但對于大氣來源，他也坦言：“目前這兩種解釋都不算特別令人信服，不過咱們現有的數據也還不足以排除它們。”

另一位未參與研究的科學家、來自 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到大氣，非常令人興奮。”

他認為，如果這一結果最終被證實，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、氮氣、一氧化碳等揮發性物質。而這會幫助科學家重新理解太陽系形成早期，這些揮發物是如何分布、遷移并被保存下來的。

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。這提醒我們人類：繼續觀測吧！因為宇宙里，可能還有更多意想不到的驚喜！”

責任編輯：郭皓存

牧夫新媒體編輯部

『天文濕刻』 牧夫出品

微信公眾號：astronomycn

冥王星的北部

圖片來源: NASA, Johns Hopkins Univ./APL, Southwest Research Institute