詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡是如何幫助測量微小矮行星的

甲烷和乙烷等揮發(fā)性氣體的相對數(shù)量可以揭示遙遠(yuǎn)柯伊伯帶天體的關(guān)鍵細(xì)節(jié)。

描繪的矮行星塞德娜，它位于遙遠(yuǎn)的柯伊伯帶。（美國航空航天局/噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室/加利福尼亞理工學(xué)院）

新的研究稱，冥王星和遙遠(yuǎn)柯伊伯帶的另一顆矮行星塞德娜之間有著明顯化學(xué)差異，有助于科學(xué)家確定它們各自的質(zhì)量。

柯伊伯帶位于海王星軌道之外，是冥王星和大多數(shù)已知矮行星以及一些被認(rèn)為是太陽系行星形成時代遺跡——彗星的所在地。

柯伊伯帶天體上是冰雪的世界，可以看到數(shù)十億年前的樣子，”該研究的主第一作者、北卡羅來納州埃隆大學(xué)的研究員阿米莉亞·貝塔蒂解釋說，對它們的研究用于了解行星的形成和演化。

最近通過詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡）進(jìn)行了近紅外光譜研究，發(fā)現(xiàn)冥王星表面有甲烷和乙烷分布，在外太陽系中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)的主要揮發(fā)性分子，廣泛認(rèn)為是行星形成時的殘留物。寬度不到冥王星的一半的”塞德娜”，則只有甲烷。

假設(shè)造成這種差異的原因是塞德娜比冥王星小得多，所以引力更弱，”貝塔蒂告訴Space.com。“引力較弱的情況下，甲烷在數(shù)十億年內(nèi)得以逃逸到太空中，而乙烷是一種更重的化合物，會留在近地表面。”

雖然之前的研究已經(jīng)確定了揮發(fā)物的物體能不能保留的一般界限，但冥王星和塞德娜之間的差異為特定的逃逸過程如何塑造這些遙遠(yuǎn)物體的表面成分提供了新的線索。塞德娜接近揮發(fā)性物質(zhì)損失的質(zhì)量閾值，強(qiáng)調(diào)了解某些化學(xué)物質(zhì)如何保留或損失的重要性，特別是在比較不同的柯伊伯帶天體時。

通過研究甲烷和乙烷如何從塞德娜中逸出，從而計(jì)算出塞德娜的質(zhì)量，以解釋它目前的天體表面組成?！薄盀榱私忉屓履壬蠜]有甲烷卻有乙烷的存在，必須提高塞德娜的最小質(zhì)量估計(jì)。重要性在于它有助于完善對塞德娜的星體結(jié)構(gòu)和演變的理解?！?/p>

在他們的研究中，貝塔蒂和來自美國宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室和加州理工學(xué)院的合著者喬納森·蘭尼爾模擬了塞德娜上甲烷和乙烷的水平。他們用兩個類似物驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性：67P/丘留莫夫-格拉西門科彗星和土星的衛(wèi)星土衛(wèi)二。歐洲的羅塞塔號探測器近距離研究了彗星67P，美國宇航局的卡西尼號探測器在土星系統(tǒng)期間收集了大量關(guān)于土衛(wèi)二的數(shù)據(jù)。

貝塔蒂說：“這兩個物體都有明確的測量結(jié)果，都來自太陽系外，并證明了它們的類似化學(xué)性質(zhì)?！睘榱伺宄欠裼凶銐虻募淄楹鸵彝閺倪@些物體中逸出，不再出現(xiàn)在星體的表面光譜中，科學(xué)家們還要估計(jì)這類化學(xué)物質(zhì)從最初被困在里面的數(shù)量。

他們在兩種不同的情況下做了研究。一種假設(shè)是，甲烷和乙烷與水冰的比例與在土衛(wèi)二上測量到的相似，另一種假設(shè)是冬季在67P彗星上獲取數(shù)據(jù)計(jì)算的比例，有助于了解這些化合物隨著時間的推移可能出現(xiàn)的損失情況。

“（我們使用）瓊斯逃逸模型，這是一種由大氣溫度驅(qū)動的熱逃逸，其中移動最快的分子超過逃逸速度，其實(shí)大部分分子沒有超過，”貝塔蒂說。他們還使用了另一種稱為流體動力學(xué)逃逸的模型，這種模型發(fā)生在大部分分子電解質(zhì)能夠逃逸的情況下，而不僅是那些分布在高速分子團(tuán)外端的分子?！按蟛糠执髿舛荚谶\(yùn)動，逃逸到太空中，”貝塔蒂說。

該模型表明，甲烷在冥王星上保持穩(wěn)定，但由于塞德娜的質(zhì)量較低，甲烷從塞德娜中逸出。然而，乙烷在兩個物體上都保持穩(wěn)定，即使使用兩種不同的放氣率——100%（表明揮發(fā)性物質(zhì)完全釋放）和10%（釋放較少）。這一結(jié)果與觀測到的星體表面光譜一致，并為塞德娜提供了更準(zhǔn)確的質(zhì)量估計(jì)。該模型還解釋了柯伊伯帶另一顆被稱為“公公”的天體上沒有甲烷的原因。

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和賽德娜一樣，“公公”行星地表也缺乏甲烷。”“由于‘公公’行星的大小與塞德娜相似，甲烷一定是以類似的方式從行星逸出的。表明較小的柯伊伯帶天體隨著時間的推移會失去甲烷，而較大的天體，如冥王星，可以保留甲烷?！叭绻茖W(xué)家們知道不同的柯伊伯帶天體上可能存在哪些氣體，它們的逃逸比率以及它們過去的化合成分，他們就可以更好地計(jì)劃未來的任務(wù)?！?/p>

這些發(fā)現(xiàn)與詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的觀測相結(jié)合，將幫助科學(xué)家了解柯伊伯帶內(nèi)外的大氣和表面成分是如何變化的。

“它突出了詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡是如何徹底改變我們對最遙遠(yuǎn)的太陽系天體的理解的，”貝塔蒂說。

這項(xiàng)新研究發(fā)表在2月份的《伊卡洛斯》雜志上。

BY:Victoria Corless

FY: Jane

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