历时30年的掩星观测：揭示冥王星大气压变化之谜

由新视野号拍摄到的冥王星真实色彩图片

根据“新视野号”探测器于2015年收集的数据，科学家对冥王星掩星过程的物理参数进行了解释，这些参数对于更好地了解冥王星的气候，以及预测这颗矮行星未来的恒星掩星事件非常重要。

和地球类似，冥王星的大气层主要也是由氮气构成，但比较仅限于此。冥王星轨道在海王星之外，要花248个地球年才能绕太阳转一圈。在冥王星的一年中，它与太阳的距离在30至50天文单位之间变化，导致了极端的季节循环。

冥王星表面温度极低，可低于-230℃（40°K）。那里存在一种固态-气态平衡，其中稀薄的大气基本为氮气，与表面冰层共存。据估计，如今冥王星的氮蒸气的压力稳定在1.3帕斯卡左右（而地球上的压力约为10万帕）。

由于冥王星的倾角（极轴与轨道平面之间的夹角）为120度，因此其两极会出现连续数十年的白昼，然后是同样漫长的极夜。这导致了冥王星表面挥发性物质如氮、甲烷和一氧化碳的重新分布，并形成复杂的物质循环。冥王星在1988年到达昼夜平分点，然后在1989年移动到近日点（30au）。从那时起，这颗矮行星就不断地远离太阳，在2016年时距离达到了32ua，这意味着它的平均日照减少了25%。

预测与结果的矛盾

1988年至2238年冥王星表面的大气压力随时间的变化，洋红色曲线为南半球存在氮储集层的情况

如果你以为冥王星的大气压会因此急剧下降，那就想得太简单了。根据氮的气-冰平衡，表面每降低一个开氏度，气压就应该降低一倍。然而观测结果恰恰相反。2019年5月10日发表在《天文学和天体物理学》杂志上的这篇文章提供了证据。文章中分析了近30年来在冥王星北半球春季观测到的十几次恒星掩星，发现1988年至2016年间，冥王星的大气压增加了三倍。

自20世纪90年代以来，冥王星的全球气候模型（GCM）就已经将这种自相矛盾的情况考虑在内，但该结果并不确定，只是众多情况之一。模型的几个重要参数仍然受到观测结果的限制。如今，通过这些来自地球的恒星掩星观测结果，加上2015年7月美国国家航空航天局（NASA）新视野号（New Horizons）探测器飞越冥王星时收集的数据，天文学家可以描绘出更加精确的场景模型。

新视野号绘制了这颗矮行星表面冰层的分布和地形，揭示了一个直径超过1000公里、深4公里的巨大盆地，位于冥王星赤道附近，纬度在25°S到50°N之间，称为“史波尼克高原”（Sputnik Planitia）。该盆地将冥王星大气中一部分可用的氮锁住，形成了一个巨大的冰川。这才是冥王星气候的真正“心脏”，通过氮的升华，它可以调节这颗矮行星的大气循环。

冥王星的诺盖山脉（左侧前景）、希拉里山脉（左侧天际线）和史波尼克高原（右侧）的景象，可见大气中弥漫的烟雾

此外，掩星观测结果限制了模型中的下层土热惯量，解释了从到达近日点（1989年）至今，30年来仍然可以观测到的气压增长相移。下层土先是将热量储存起来，然后逐渐释放，这一过程还在进行之中。掩星观测结果还限制了由氮冰反射回太空的太阳能比例（球面反照率），以及氮冰本身的辐射率。

最后，这些观测消除了在冥王星南半球存在氮储集层的可能性（目前处于极夜），否则表面最大气压的出现要比观测到的结果早得多。

这项研究很好地说明了地面观测和空间观测之间的互补性。如果没有“新视野号”的飞掠，我们对冥王星表面冰层的分布和地形将仍然未知；如果没有对冥王星大气的长期监测，其气候模型也将无法受到约束。

什么是掩星？

2019年9月5日掩星时冥王星在天空中的位置

巧合的是，在20世纪的最后几十年和21世纪的头几十年里，地球、冥王星和遥远的银河系中心稠密的恒星场幸运地排成了一线。这一巧合意味着冥王星会相对频繁地从我们和背景恒星之间经过。当这种情况发生时，它的影子会落在地球上。天文学家将这种现象称为掩星。

在掩星期间，任何恰好位于阴影路径内的天文台都可以进行观测到，当冥王星经过恒星前方时，它似乎消失了，然后随着行星排列的变化，它又重新出现。对于地球表面的任何地方，冥王星的掩星过程最多持续几分钟。

掩星技术被广泛应用于研究外太阳系多种天体（包括小行星、彗星、行星和矮行星）的轨道、光环、卫星、形状和大气层等特征。

通过比较观察者在地球上不同位置所观测到的结果，可以计算出掩星天体的大小和形状。如果这个物体有大气层，那么当星光闪烁几秒钟后又重新出现时，星光在穿过其大气层时就会因吸收和折射而改变。

自从20世纪80年代第一次成功的掩星观测以来，一系列结果已经帮助天文学家建立了对冥王星半径越来越精确的测量方法，并不断加深我们对其大气温度和压力的了解。

未来掩星事件

冥王星和GAIA DR2 6771712487062767488恒星，右侧为冥卫一“卡戎”（Charon）

恒星掩星事件还提供了冥王星在1988年至2016年间的19个位置，在天空中的精度达到了几毫弧秒（mas）。这样的精度，还要归功于欧洲空间局盖亚任务第二阶段数据的发布。在此基础上，研究人员可以计算出冥王星在未来十年同样高精度的星历。

因此，未来天文学家将可能通过观察冥王星的其他掩星事件来监测其气候。理论模型表明，冥王星的大气层目前正接近其最大膨胀状态。未来的观测可能证实，或者否定这一预测。我们会很快看到这种气压的缓慢下降吗？是否到最后，冥王星的大气压力会减少到原来的二十分之一，表面覆盖着一层薄薄的有光泽的“白霜”呢？