Астрономы выдвинули «безумную идею» о Плутоне — ничего подобного в Солнечной системе найдено не было
Далекий и загадочный Плутон, некогда считавшийся девятой планетой Солнечной системы, а ныне классифицируемый как карликовая планета, продолжает преподносить сюрпризы ученым. Его ледяная поверхность, разреженная атмосфера и сложная система спутников делают его уникальным объектом для изучения планетологии и экзоатмосферных явлений. Пролет космического аппарата «Новые горизонты» в 2015 году позволил получить беспрецедентные данные, но многие тайны Плутона так и остались неразгаданными, породив новые вопросы и смелые гипотезы. Что скрывается в туманной дымке этой карликовой планеты? Какие процессы управляют ее климатом и энергетическим балансом?
Тайна девятой планеты
Исследование атмосфер далеких миров — сложнейшая задача, требующая применения самых современных телескопов и изощренных методов анализа. Атмосфера Плутона, состоящая преимущественно из азота с примесями метана и монооксида углерода, представляет собой особенно сложный случай из-за экстремально низких температур и слабого солнечного излучения. Ученые давно предполагали, что в ней должны происходить необычные физико-химические процессы, но прямых доказательств до недавнего времени не хватало. Одна из гипотез, выдвинутая несколько лет назад, казалась особенно «безумной», но именно она, похоже, нашла свое подтверждение, открывая новую главу в понимании этого ледяного мира на окраине нашей планетной системы.
Новые наблюдения, проведенные с помощью космического телескопа «Джеймс Уэбб»(JWST) в 2022 и 2023 годах, показали, что атмосфера Плутона кардинально отличается от атмосферы любого другого объекта в Солнечной системе. Одно из ключевых открытий заключается в том, что она содержит частицы дымки, которые поднимаются и опускаются по мере их нагрева и охлаждения. Эти наблюдения были вдохновлены идеей, предложенной астрономом Си Чжаном из Калифорнийского университета в Санта-Круз еще в 2017 году. «Это была безумная идея», — признался Чжан. Однако он и его соавторы были достаточно уверены в своей гипотезе, чтобы предсказать: если дымка охлаждает Плутон, она должна излучать сильное среднеинфракрасное излучение. Следовательно, телескоп, чувствительный к инфракрасному диапазону, должен «увидеть» это явление.
Именно это и произошло. Данные, полученные с помощью JWST, подтвердили предсказание ученых. Частицы дымки, состоящие из сложных углеводородов, образующихся в результате фотохимических реакций метана под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца, играют доминирующую роль в энергетическом балансе атмосферы Плутона. Они нагреваются, поглощая солнечное излучение, а затем охлаждаются, испуская энергию в космос в виде инфракрасного излучения. Этот механизм контроля температуры является крайне необычным и ранее не наблюдался ни на одной другой планете или спутнике Солнечной системы. Обычно эту функцию выполняют газовые молекулы.
Новые вопросы
Атмосфера Плутона представляет собой сложную дымку из азота, метана и монооксида углерода. В отличие от него, его крупнейший спутник Харон практически лишен атмосферы, хотя у него могут наблюдаться сезонные выбросы газов. Дымка, которую мы видим на Плутоне на снимках аппарата «Новые горизонты», образуется в результате реакции между азотом и метаном под действием солнечного света, что делает ее похожей на дымку, наблюдаемую на спутнике Сатурна Титане. Однако для понимания того, как работают эти процессы, требовались более длительные наблюдения, чем мог обеспечить пролет аппарата «Новые горизонты».
Наблюдения Плутона и Харона с помощью JWST в 2022 году были сосредоточены на изучении дымки и атмосферы Плутона с использованием инструмента MIRI (Mid-Infrared Instrument). Также были проведены измерения на длинах волн 18, 21 и 25 микрон для обоих миров. Однако, чтобы по-настоящему понять атмосферную активность на Плутоне, ученые хотели получить данные только об атмосфере самой карликовой планеты. В 2023 году MIRI вновь обратил свое внимание на Плутон и предоставил данные об атмосфере и дымке в среднеинфракрасном диапазоне (4,9–27 микрон). Это позволило ученым получить более полную картину атмосферных изменений и активности, включая вариации теплового излучения поверхности, то есть температурных изменений, как на Плутоне, так и на Хароне во время их вращения.
Сравнивая эти данные с тепловыми моделями двух миров, исследователи смогли наложить строгие ограничения на тепловую инерцию, коэффициент излучения и температуру различных регионов Плутона и Харона. Эти свойства определяют глобальное распределение льдов на Плутоне и способствуют переносу материала с Плутона на Харон. Сезонные циклы распределения летучих льдов по поверхности приводят к миграции ледяных отложений. Часть этого материала также отрывается от Плутона и осаждается на Хароне — уникальный процесс в Солнечной системе.
Новые данные показывают, что радиационное энергетическое равновесие атмосферы Плутона — баланс между поступающим солнечным светом и его теплопотерями в космос — контролируется в основном частицами дымки, а не газовыми молекулами, как это происходит в других мирах. По словам Чжана, это делает Плутон еще более интересным для изучения и дает некоторое представление о ранней атмосфере Земли, которая почти полностью состояла из азота и смеси углеводородов.
Исследования с помощью JWST — это лишь первый шаг к пониманию сложности взаимодействия в атмосфере Плутона, а также ее вклада в материалы, обнаруженные на Хароне. «Плутон занимает действительно уникальное место в диапазоне поведения планетных атмосфер. Это дает шанс расширить наше понимание того, как дымка ведет себя в экстремальных условиях, — пояснил Чжан. — И это касается не только Плутона — мы знаем, что спутник Нептуна Тритон и спутник Сатурна Титан также имеют схожие азотно-углеводородные атмосферы, полные частиц дымки. Так что нам нужно переосмыслить и их роль». Это открытие подчеркивает важность изучения криогенных миров для понимания разнообразия планетных процессов и возможного зарождения пребиотических условий.
