冥王星掩星
——探索異世界的氣候變化

□ 文 柯文采(Thijs Kouwenhoven) / 翻譯 zeno

冥王星掩星
——探索異世界的氣候變化

□ 文 柯文采(Thijs Kouwenhoven) / 翻譯 zeno

柯文采（Thijs Kouwenhoven）北京大學(xué)科維理天文與天體物理研究所（KIAA）百人計(jì)劃學(xué)者。

1999年的日全食。圖片版權(quán)：維基百科

掩、凌和食

日食是最壯觀的天文現(xiàn)象之一。當(dāng)月亮走到太陽(yáng)和地球的正中間，陽(yáng)光被擋住，天空會(huì)發(fā)生短暫的變暗。當(dāng)月亮走進(jìn)地球的影子里時(shí)，則會(huì)發(fā)生與之類似的月食現(xiàn)象。這兩種情況即是所謂的“食”。

2012年金星凌日。圖片版權(quán)：維基百科

幾年前金星也曾擋在太陽(yáng)前面，但由于金星比太陽(yáng)小很多，幾乎沒(méi)有減弱陽(yáng)光，所以這種現(xiàn)象基本上要用望遠(yuǎn)鏡才看得清楚。木星、土星以及其他行星和衛(wèi)星之間也會(huì)發(fā)生類似的情況。當(dāng)有一個(gè)小的行星或衛(wèi)星擋住一個(gè)看上去大得多的天體時(shí)，我們把這種現(xiàn)象叫作“凌”。凌星現(xiàn)象同樣也會(huì)發(fā)生在天空中其他的恒星身上，即所謂的地外行星凌星。我們會(huì)觀測(cè)到恒星發(fā)生了很小的、短時(shí)間的變暗，這通常是在遙遠(yuǎn)恒星旁繞轉(zhuǎn)的行星造成的。

“掩”則與“凌”正好相反?？瓷先ズ艽蟮奶祗w擋在小得多的天體前就是掩星。我們的月球就經(jīng)常掩星。它在天空中運(yùn)行的時(shí)候，經(jīng)常擋住背景恒星的光；夠幸運(yùn)的話，我們還能看到它擋在火星、土星或其他行星前。但是行星掩星就不那么常見(jiàn)了，因?yàn)榫瓦B火星、木星也離我們十分遙遠(yuǎn)，能擋到的天空范圍實(shí)在是太有限了。

矮行星冥王星的掩星著實(shí)少見(jiàn)，主要就是因?yàn)樗男€(gè)頭和遙遠(yuǎn)的距離。然而冥王星每隔幾年也確實(shí)能掩到一顆亮一點(diǎn)的恒星。這時(shí)如果仔細(xì)觀測(cè)恒星被掩變暗的情況，就能得到很多冥王星的信息，比如其大氣組成。

2007年5月22日的月掩土星。盡管土星實(shí)際比月亮大很多，但同時(shí)也比月亮遠(yuǎn)3500倍，因此看上去比月亮要小得多。這張照片中月亮的運(yùn)動(dòng)方向是從右至左，土星正好剛從月亮后面鉆出來(lái)。圖片版權(quán)：Jens Hackmann

矮行星冥王星的軌道

美國(guó)天文學(xué)家湯博（Clyde W. Tombaugh）于1930年2月18日發(fā)現(xiàn)了冥王星：它只是一個(gè)在天空中緩慢挪動(dòng)的小白點(diǎn)。通過(guò)觀測(cè)它在天空中的運(yùn)動(dòng)，就可以計(jì)算出它的軌道周期約為250年。人們還發(fā)現(xiàn)冥王星的軌道非常的“不圓”，最近距離太陽(yáng)大約30個(gè)天文單位遠(yuǎn)，最遠(yuǎn)時(shí)有50個(gè)天文單位（1個(gè)天文單位就是地球到太陽(yáng)的平均距離）。根據(jù)其反射的太陽(yáng)光，天文學(xué)家曾以為冥王星是一個(gè)大而暗的行星。后來(lái)的觀測(cè)則表明它是個(gè)白而小的天體，能把大部分照射在其上的陽(yáng)光反射出來(lái)。這也說(shuō)明了研究冥王星的困難之一：它太遠(yuǎn)了，我們幾乎沒(méi)辦法去了解它。冥王星是太陽(yáng)系中唯一一個(gè)還沒(méi)有探測(cè)器光顧的大天體（“新視野”號(hào)探測(cè)器還在前往的路上），它的很多物理性質(zhì)及參數(shù)仍是個(gè)謎。而了解冥王星的可行手段中就包括掩星這一方法。

好在冥王星的軌道比較扁，現(xiàn)在的冥王星要比剛被發(fā)現(xiàn)時(shí)離我們近很多。冥王星在1989年9月5日走到離太陽(yáng)最近的地方。近的時(shí)候總是更容易觀測(cè)，它的大衛(wèi)星卡戎以及它稀薄的大氣就是在那時(shí)被發(fā)現(xiàn)的。冥王星現(xiàn)在正逐漸遠(yuǎn)離我們，下次它再靠近我們要等到2237年了。

冥王星掩星事件

我們銀河系中有千億計(jì)的恒星，冥王星掩過(guò)它們還是很常見(jiàn)的事。但大多數(shù)被掩星都暗得可憐，我們很難對(duì)掩食過(guò)程做精準(zhǔn)的觀測(cè)。所以天文學(xué)家希望的是冥王星能擋住亮一點(diǎn)的恒星。這是很少見(jiàn)的，然而一旦真的發(fā)生，全世界的天文臺(tái)都會(huì)做足準(zhǔn)備記錄這難得的景象。

引起廣泛興趣的一次掩星是2011年6月23日的冥王星-卡戎雙掩星。這次冥王星和它最大的衛(wèi)星卡戎依次掩過(guò)一顆稍暗的恒星2UCAC24677089（14.4等）。美國(guó)宇航局的三米紅外望遠(yuǎn)鏡NITF（NASA Infrared Telescope Facility）搭配兩臺(tái)設(shè)備分別在可見(jiàn)光（MORIS）和近紅外（SpeX）波段觀測(cè)了這次掩星。這架望遠(yuǎn)鏡坐落在夏威夷莫納克亞山的頂部。兩個(gè)波段的觀測(cè)結(jié)果向我們透露了冥王星大氣層的信息。相對(duì)于巖石、冰層會(huì)擋住各種波長(zhǎng)的光線來(lái)說(shuō)，大氣層則會(huì)對(duì)可見(jiàn)光以外的某些波段顯得更透明（或者不透明）。

我們可以在右邊的光變曲線上看到兩次變暗。橫軸代表時(shí)間，縱軸代表被掩恒星2UCAC24677089到達(dá)地球的光線強(qiáng)度，0表示所有光都被擋住，1表示沒(méi)有光被擋住。第一個(gè)下降是卡戎導(dǎo)致的，它遮住了整顆恒星?？ㄈ质怯墒^和冰層構(gòu)成的，表面沒(méi)有氣體，因此它擋住2UCAC24677089時(shí)恒星的光強(qiáng)驟然變小。曲線下部的抖動(dòng)可不是卡戎造成的，那是觀測(cè)中無(wú)處不在的噪聲的影響。這種掩星的時(shí)間一般都很短，比如卡戎這次只有45秒，因此觀測(cè)時(shí)必須非常精確地算好時(shí)間才行。

恒星2UCAC24677089在2011年6月23日的光變曲線?？ㄈ郑ㄗ螅┖挖ね跣牵ㄓ遥倪@顆恒星前運(yùn)動(dòng)過(guò)去，遮擋了全部或者部分的星光?？ㄈ治恢煤苷?，擋住了100%的星光。冥王星則只擋住了恒星的一部分。曲線上兩次變暗形狀的區(qū)別說(shuō)明了卡戎是石-冰質(zhì)的衛(wèi)星，沒(méi)有大氣；而冥王星則擁有大氣層。兩次掩食的時(shí)長(zhǎng)都在一分鐘左右，因此需要非常準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出掩食發(fā)生的時(shí)間才能成功觀測(cè)。圖片版權(quán)：Icarus

大約十分鐘之后光變曲線上出現(xiàn)了第二次變暗，這是冥王星造成的。與卡戎相比，冥王星的掩食有三個(gè)顯著特點(diǎn)：其一，冥王星只擋住了65%的恒星光；其二，冥王星的掩食持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)；其三，光變曲線平滑很多，沒(méi)有垂直的下降和上升。雖然冥王星比卡戎要大，但由于在天空中的位置和卡戎有微小的差別，所以它只擋住了恒星圓面的65%。盡管如此，冥王星的掩食時(shí)間還是比卡戎長(zhǎng)了幾乎兩倍，有80秒。最后，平緩的亮度變化揭示出冥王星有大氣層。氣體分子被引力束縛在冥王星周圍，越遠(yuǎn)離表面的氣體密度越低，減光效果越弱；越接近表面則減光越強(qiáng)烈。在冥王星掩食2UCAC24677089的過(guò)程中，大氣層不同的部位依次擋住恒星，使星光亮度下降得較為平緩。不用飛過(guò)去探測(cè)，天文學(xué)家只要仔細(xì)研究一下這條曲線就可以知道冥王星大氣層的氣壓分布情況了。

2011年6月23日的這次雙掩食整個(gè)過(guò)程持續(xù)了約12分鐘。當(dāng)然，這取決于冥王星在軌道上17000千米/小時(shí)的繞日速度。但冥王星可不是唯一在運(yùn)動(dòng)的天體。忽略背景恒星2UCAC24677089的運(yùn)動(dòng)（因?yàn)榉浅＿b遠(yuǎn)），我們的地球每時(shí)每刻都在以110000千米/小時(shí)的速度環(huán)繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)，這是冥王星繞日速度的六倍還要多。在準(zhǔn)備掩星觀測(cè)時(shí)，這個(gè)速度是絕對(duì)不能忽視的。

進(jìn)行掩星觀測(cè)不僅需要精確的時(shí)間，還需要在正確的地點(diǎn)。冥王星比月球還要小，掩食帶也比月掩星要窄，如果天文臺(tái)位置不湊巧，很容易錯(cuò)過(guò)掩食。2011年6月23日的掩食帶只穿過(guò)北太平洋，擁有眾多望遠(yuǎn)鏡的夏威夷島非常幸運(yùn)地位于其中。另外，一個(gè)非常特殊的天文臺(tái)——SOFIA機(jī)載天文臺(tái)也參與了觀測(cè)。這是一架裝載著大望遠(yuǎn)鏡的大飛機(jī)（請(qǐng)見(jiàn)2014年第4期《天文愛(ài)好者》），高踞云層之上，能夠飛到任何需要的地點(diǎn)觀測(cè)冥王星和卡戎的掩星。

圖中用藍(lán)色氣球標(biāo)示了能夠觀測(cè)2011年6月23日雙掩食的天文臺(tái)。三條粗線標(biāo)出了冥王星掩食帶的范圍，之間的區(qū)域可以看到100%的掩食。細(xì)線是卡戎的掩食帶。本文中提到的觀測(cè)是位于夏威夷的望遠(yuǎn)鏡完成的，因此看到的是卡戎造成的“全掩食”和冥王星造成的“偏掩食”。圖片版權(quán)：Planet Hunters Blog

氣候變化

冥王星的大氣層被發(fā)現(xiàn)至今已過(guò)去了幾十年，天文學(xué)家們?yōu)槭裁匆琅f鍥而不舍地觀測(cè)它？原因在于，研究行星的專家們預(yù)測(cè)冥王星上存在氣候變化。冥王星的近日距約30個(gè)天文單位，而遠(yuǎn)日距則達(dá)到約50個(gè)天文單位。如此一來(lái)，冥王星上所接收到的陽(yáng)光會(huì)有很大變化，在近日點(diǎn)要比遠(yuǎn)日點(diǎn)獲得的陽(yáng)光多3倍！冥王星在1989年過(guò)近日點(diǎn)，因此現(xiàn)在正在一點(diǎn)點(diǎn)變冷，其大氣結(jié)構(gòu)也會(huì)隨之改變。

地球在一年之中有溫度的變化，但大氣性質(zhì)變化不大。現(xiàn)在，中國(guó)的北方人正飽受嘴唇和皮膚的干裂之苦，因?yàn)楹涞目諝鉄o(wú)法攜帶足夠的水蒸氣。然而，空氣中其他的成分，比如氮?dú)?、氧氣，跟夏天沒(méi)什么兩樣?；鹦巧媳鹊厍蚋?，它大氣中的甲烷和二氧化碳在冬天就會(huì)凍住。（在餐館里這些被凍住的二氧化碳叫作“干冰”，時(shí)常用來(lái)給名貴的菜品加煙霧效果。）冥王星在冬天則會(huì)更冷，連表面的氮?dú)舛紩?huì)大量?jī)鼋Y(jié)，所以冥王星在繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的一年中，大氣成分也會(huì)發(fā)生相當(dāng)大的變化。掩星是探測(cè)這一變化最便捷的手段。

冥王星軌道。不同于太陽(yáng)系中其他的行星，冥王星的軌道非常的“不圓”。冥王星到太陽(yáng)的距離會(huì)在30~50個(gè)天文單位之間變化。加熱冥王星的陽(yáng)光總量很大程度依賴于距離，近日、遠(yuǎn)日點(diǎn)可相差三倍。這對(duì)冥王星上的氣候和大氣層都有極大的影響。圖片版權(quán)：維基百科

最近的一次冥王星掩星發(fā)生在2013年5月23日。天文學(xué)家們當(dāng)然沒(méi)有放過(guò)這次研究冥王星大氣層的好機(jī)會(huì)，智利、南非和澳大利亞的多臺(tái)望遠(yuǎn)鏡聯(lián)合觀測(cè)了這一事件。研究者比較了1988年到2013年間所有可用的掩星資料，發(fā)現(xiàn)冥王星大氣的變化遠(yuǎn)小于原來(lái)的預(yù)期，甚至氣壓還有所上升，這與之前模型的預(yù)期是截然相反的。同一組科學(xué)家不久前在期刊《伊卡魯斯》（Icarus）上提出他們的想法，解釋方法還挺有意思的。首先要確認(rèn)冥王星是“躺著轉(zhuǎn)”的這個(gè)事實(shí)。冥王星自轉(zhuǎn)軸的北極附近有巨大的氮?dú)獗w，在1989年其位于近日點(diǎn)時(shí)，北極正處于極夜，長(zhǎng)期沒(méi)有陽(yáng)光照射?，F(xiàn)在冥王星正在逐漸遠(yuǎn)離近日點(diǎn)，它北極的氮?dú)獗w也就逐漸開(kāi)始暴露于陽(yáng)光之下，又變成氣態(tài)的氮分子，冥王星表面的氣壓也因此上升。這個(gè)過(guò)程會(huì)一直持續(xù)，直到冥王星離太陽(yáng)越來(lái)越遠(yuǎn)，之后氮?dú)庥謺?huì)開(kāi)始在南極附近重新凍結(jié)。這樣的循環(huán)會(huì)隨著冥王星繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)而反復(fù)出現(xiàn)（類似地球南北半球的四季交替——譯者注）。

展望未來(lái)

和日食時(shí)月亮擋住太陽(yáng)一樣，冥王星會(huì)不時(shí)擋住星光。由于掩食亮星的現(xiàn)象比較少見(jiàn)，可觀測(cè)掩食的時(shí)間和地點(diǎn)也非常局限，因此很難進(jìn)行大量的掩星觀測(cè)。然而，掩星觀測(cè)一直在為天文學(xué)家提供著重要的數(shù)據(jù)，并且是目前研究冥王星大氣層的唯一辦法。到今年下半年，這一狀況將有所改變：美國(guó)宇航局的“新視野”號(hào)探測(cè)器（New Horizons Spacecraft）將于2015年7月14日飛抵冥王星?！靶乱曇啊碧?hào)發(fā)射于2006年1月19日，將成為人類歷史上第一顆造訪冥王星的探測(cè)器。它已經(jīng)以50000千米/小時(shí)的速度飛行了將近10年，但由于沒(méi)有足夠的燃料用來(lái)減速，所以只能在冥王星附近工作幾天的時(shí)間。然而就是這幾天，會(huì)給我們帶來(lái)很多的新發(fā)現(xiàn)，帶來(lái)人類對(duì)矮行星所做的最棒的觀測(cè)。

“新視野”號(hào)是美國(guó)宇航局（NASA）2006年發(fā)射的空間探測(cè)器。它的主要任務(wù)是探測(cè)冥王星和多顆冥衛(wèi)。2015年7月14日“新視野”號(hào)將成為第一顆飛抵冥王星的探測(cè)器。幾個(gè)月之后，我們將看到冥王星及卡戎的首張清晰照片。