冥王星掩星——探索异世界的气候变化

□ 文 柯文采(Thijs Kouwenhoven) / 翻译 zeno

冥王星掩星
——探索异世界的气候变化

□ 文 柯文采(Thijs Kouwenhoven) / 翻译 zeno

柯文采（Thijs Kouwenhoven）北京大学科维理天文与天体物理研究所（KIAA）百人计划学者。

1999年的日全食。图片版权：维基百科

掩、凌和食

日食是最壮观的天文现象之一。当月亮走到太阳和地球的正中间，阳光被挡住，天空会发生短暂的变暗。当月亮走进地球的影子里时，则会发生与之类似的月食现象。这两种情况即是所谓的“食”。

2012年金星凌日。图片版权：维基百科

几年前金星也曾挡在太阳前面，但由于金星比太阳小很多，几乎没有减弱阳光，所以这种现象基本上要用望远镜才看得清楚。木星、土星以及其他行星和卫星之间也会发生类似的情况。当有一个小的行星或卫星挡住一个看上去大得多的天体时，我们把这种现象叫作“凌”。凌星现象同样也会发生在天空中其他的恒星身上，即所谓的地外行星凌星。我们会观测到恒星发生了很小的、短时间的变暗，这通常是在遥远恒星旁绕转的行星造成的。

“掩”则与“凌”正好相反。看上去很大的天体挡在小得多的天体前就是掩星。我们的月球就经常掩星。它在天空中运行的时候，经常挡住背景恒星的光；够幸运的话，我们还能看到它挡在火星、土星或其他行星前。但是行星掩星就不那么常见了，因为就连火星、木星也离我们十分遥远，能挡到的天空范围实在是太有限了。

矮行星冥王星的掩星着实少见，主要就是因为它的小个头和遥远的距离。然而冥王星每隔几年也确实能掩到一颗亮一点的恒星。这时如果仔细观测恒星被掩变暗的情况，就能得到很多冥王星的信息，比如其大气组成。

2007年5月22日的月掩土星。尽管土星实际比月亮大很多，但同时也比月亮远3500倍，因此看上去比月亮要小得多。这张照片中月亮的运动方向是从右至左，土星正好刚从月亮后面钻出来。图片版权：Jens Hackmann

矮行星冥王星的轨道

美国天文学家汤博（Clyde W. Tombaugh）于1930年2月18日发现了冥王星：它只是一个在天空中缓慢挪动的小白点。通过观测它在天空中的运动，就可以计算出它的轨道周期约为250年。人们还发现冥王星的轨道非常的“不圆”，最近距离太阳大约30个天文单位远，最远时有50个天文单位（1个天文单位就是地球到太阳的平均距离）。根据其反射的太阳光，天文学家曾以为冥王星是一个大而暗的行星。后来的观测则表明它是个白而小的天体，能把大部分照射在其上的阳光反射出来。这也说明了研究冥王星的困难之一：它太远了，我们几乎没办法去了解它。冥王星是太阳系中唯一一个还没有探测器光顾的大天体（“新视野”号探测器还在前往的路上），它的很多物理性质及参数仍是个谜。而了解冥王星的可行手段中就包括掩星这一方法。

好在冥王星的轨道比较扁，现在的冥王星要比刚被发现时离我们近很多。冥王星在1989年9月5日走到离太阳最近的地方。近的时候总是更容易观测，它的大卫星卡戎以及它稀薄的大气就是在那时被发现的。冥王星现在正逐渐远离我们，下次它再靠近我们要等到2237年了。

冥王星掩星事件

我们银河系中有千亿计的恒星，冥王星掩过它们还是很常见的事。但大多数被掩星都暗得可怜，我们很难对掩食过程做精准的观测。所以天文学家希望的是冥王星能挡住亮一点的恒星。这是很少见的，然而一旦真的发生，全世界的天文台都会做足准备记录这难得的景象。

引起广泛兴趣的一次掩星是2011年6月23日的冥王星-卡戎双掩星。这次冥王星和它最大的卫星卡戎依次掩过一颗稍暗的恒星2UCAC24677089（14.4等）。美国宇航局的三米红外望远镜NITF（NASA Infrared Telescope Facility）搭配两台设备分别在可见光（MORIS）和近红外（SpeX）波段观测了这次掩星。这架望远镜坐落在夏威夷莫纳克亚山的顶部。两个波段的观测结果向我们透露了冥王星大气层的信息。相对于岩石、冰层会挡住各种波长的光线来说，大气层则会对可见光以外的某些波段显得更透明（或者不透明）。

我们可以在右边的光变曲线上看到两次变暗。横轴代表时间，纵轴代表被掩恒星2UCAC24677089到达地球的光线强度，0表示所有光都被挡住，1表示没有光被挡住。第一个下降是卡戎导致的，它遮住了整颗恒星。卡戎是由石头和冰层构成的，表面没有气体，因此它挡住2UCAC24677089时恒星的光强骤然变小。曲线下部的抖动可不是卡戎造成的，那是观测中无处不在的噪声的影响。这种掩星的时间一般都很短，比如卡戎这次只有45秒，因此观测时必须非常精确地算好时间才行。

恒星2UCAC24677089在2011年6月23日的光变曲线。卡戎（左）和冥王星（右）从这颗恒星前运动过去，遮挡了全部或者部分的星光。卡戎位置很正，挡住了100%的星光。冥王星则只挡住了恒星的一部分。曲线上两次变暗形状的区别说明了卡戎是石-冰质的卫星，没有大气；而冥王星则拥有大气层。两次掩食的时长都在一分钟左右，因此需要非常准确地预测出掩食发生的时间才能成功观测。图片版权：Icarus

大约十分钟之后光变曲线上出现了第二次变暗，这是冥王星造成的。与卡戎相比，冥王星的掩食有三个显著特点：其一，冥王星只挡住了65%的恒星光；其二，冥王星的掩食持续时间更长；其三，光变曲线平滑很多，没有垂直的下降和上升。虽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别，所以它只挡住了恒星圆面的65%。尽管如此，冥王星的掩食时间还是比卡戎长了几乎两倍，有80秒。最后，平缓的亮度变化揭示出冥王星有大气层。气体分子被引力束缚在冥王星周围，越远离表面的气体密度越低，减光效果越弱；越接近表面则减光越强烈。在冥王星掩食2UCAC24677089的过程中，大气层不同的部位依次挡住恒星，使星光亮度下降得较为平缓。不用飞过去探测，天文学家只要仔细研究一下这条曲线就可以知道冥王星大气层的气压分布情况了。

2011年6月23日的这次双掩食整个过程持续了约12分钟。当然，这取决于冥王星在轨道上17000千米/小时的绕日速度。但冥王星可不是唯一在运动的天体。忽略背景恒星2UCAC24677089的运动（因为非常遥远），我们的地球每时每刻都在以110000千米/小时的速度环绕太阳运动，这是冥王星绕日速度的六倍还要多。在准备掩星观测时，这个速度是绝对不能忽视的。

进行掩星观测不仅需要精确的时间，还需要在正确的地点。冥王星比月球还要小，掩食带也比月掩星要窄，如果天文台位置不凑巧，很容易错过掩食。2011年6月23日的掩食带只穿过北太平洋，拥有众多望远镜的夏威夷岛非常幸运地位于其中。另外，一个非常特殊的天文台——SOFIA机载天文台也参与了观测。这是一架装载着大望远镜的大飞机（请见2014年第4期《天文爱好者》），高踞云层之上，能够飞到任何需要的地点观测冥王星和卡戎的掩星。

图中用蓝色气球标示了能够观测2011年6月23日双掩食的天文台。三条粗线标出了冥王星掩食带的范围，之间的区域可以看到100%的掩食。细线是卡戎的掩食带。本文中提到的观测是位于夏威夷的望远镜完成的，因此看到的是卡戎造成的“全掩食”和冥王星造成的“偏掩食”。图片版权：Planet Hunters Blog

气候变化

冥王星的大气层被发现至今已过去了几十年，天文学家们为什么依旧锲而不舍地观测它？原因在于，研究行星的专家们预测冥王星上存在气候变化。冥王星的近日距约30个天文单位，而远日距则达到约50个天文单位。如此一来，冥王星上所接收到的阳光会有很大变化，在近日点要比远日点获得的阳光多3倍！冥王星在1989年过近日点，因此现在正在一点点变冷，其大气结构也会随之改变。

地球在一年之中有温度的变化，但大气性质变化不大。现在，中国的北方人正饱受嘴唇和皮肤的干裂之苦，因为寒冷的空气无法携带足够的水蒸气。然而，空气中其他的成分，比如氮气、氧气，跟夏天没什么两样。火星上比地球更冷，它大气中的甲烷和二氧化碳在冬天就会冻住。（在餐馆里这些被冻住的二氧化碳叫作“干冰”，时常用来给名贵的菜品加烟雾效果。）冥王星在冬天则会更冷，连表面的氮气都会大量冻结，所以冥王星在绕太阳运动的一年中，大气成分也会发生相当大的变化。掩星是探测这一变化最便捷的手段。

冥王星轨道。不同于太阳系中其他的行星，冥王星的轨道非常的“不圆”。冥王星到太阳的距离会在30~50个天文单位之间变化。加热冥王星的阳光总量很大程度依赖于距离，近日、远日点可相差三倍。这对冥王星上的气候和大气层都有极大的影响。图片版权：维基百科

最近的一次冥王星掩星发生在2013年5月23日。天文学家们当然没有放过这次研究冥王星大气层的好机会，智利、南非和澳大利亚的多台望远镜联合观测了这一事件。研究者比较了1988年到2013年间所有可用的掩星资料，发现冥王星大气的变化远小于原来的预期，甚至气压还有所上升，这与之前模型的预期是截然相反的。同一组科学家不久前在期刊《伊卡鲁斯》（Icarus）上提出他们的想法，解释方法还挺有意思的。首先要确认冥王星是“躺着转”的这个事实。冥王星自转轴的北极附近有巨大的氮气冰盖，在1989年其位于近日点时，北极正处于极夜，长期没有阳光照射。现在冥王星正在逐渐远离近日点，它北极的氮气冰盖也就逐渐开始暴露于阳光之下，又变成气态的氮分子，冥王星表面的气压也因此上升。这个过程会一直持续，直到冥王星离太阳越来越远，之后氮气又会开始在南极附近重新冻结。这样的循环会随着冥王星绕太阳公转而反复出现（类似地球南北半球的四季交替——译者注）。

展望未来

和日食时月亮挡住太阳一样，冥王星会不时挡住星光。由于掩食亮星的现象比较少见，可观测掩食的时间和地点也非常局限，因此很难进行大量的掩星观测。然而，掩星观测一直在为天文学家提供着重要的数据，并且是目前研究冥王星大气层的唯一办法。到今年下半年，这一状况将有所改变：美国宇航局的“新视野”号探测器（New Horizons Spacecraft）将于2015年7月14日飞抵冥王星。“新视野”号发射于2006年1月19日，将成为人类历史上第一颗造访冥王星的探测器。它已经以50000千米/小时的速度飞行了将近10年，但由于没有足够的燃料用来减速，所以只能在冥王星附近工作几天的时间。然而就是这几天，会给我们带来很多的新发现，带来人类对矮行星所做的最棒的观测。

“新视野”号是美国宇航局（NASA）2006年发射的空间探测器。它的主要任务是探测冥王星和多颗冥卫。2015年7月14日“新视野”号将成为第一颗飞抵冥王星的探测器。几个月之后，我们将看到冥王星及卡戎的首张清晰照片。