日本天文台識別出冥王星軌道外小天體的大氣層

日本國家天文台的研究人員記錄了一項前所未有的發現，涉及我們行星系統的邊緣。科學家已經確定了該天體周圍存在稀薄大氣層的明確證據，官方編目號為(612533) 2002 XV93。這個岩石冰質物體的直徑約 500 公里。它繞太陽公轉的距離超過55億公里。這個偏遠地區位於柯伊伯帶，比冥王星軌道還要遠。

這些數據是透過 2024 年 1 月記錄的特定天文現象捕獲的。專業和業餘天文學家團隊共同努力，從安裝在京都、長野和福島等城市的地面基地監測這一事件。在觀察過程中，背景恆星的亮度逐漸降低，而不是突然消失。這種光的轉變模式提供了證明這個遙遠的小世界周圍存在氣態層所必需的物理特徵。

恆星掩星和光折射的動力學

日本團隊使用的技術包括記錄天體從地球視角經過一顆遙遠恆星前方的確切時刻。這種方法的工作原理類似於空間微食。如果被分析的物體沒有大氣層，背景中恆星發出的光在被岩石阻擋時會立即消失，然後很快就會重新出現。然而，光學儀器在 (612533) 2002 XV93 掠過期間捕捉到了不同的行為。

光度記錄顯示亮度的平滑過渡持續約 1.5 秒。這種逐漸的變化表明，恆星的光線在穿過一層氣體時發生了折射，然後被固體完全阻擋。光的彎曲就像自然透鏡一樣。亮度下降的持續時間使研究人員能夠計算出海王星外天體周圍氣體包層的密度和範圍。

該研究的負責人科學家 Ko Arimatsu 強調了大型天文台和配備小型望遠鏡的公民之間建立的合作網絡的基本作用。遍布日本領土的多個觀察點的結合保證了驗證該事件所需的精度。恆星掩星技術使得捕捉微小天體的結構細節成為可能，即使使用當今最先進的太空望遠鏡也無法獲得這些細節。

物體的化學成分和物理特性

對光數據的分析揭示了有關天體表面所面臨的極端條件的精確資訊。天文學家估計的大氣壓力比地球海平面記錄的壓力低 500 萬至 1000 萬倍。儘管極其稀薄，但氣體的數量足以改變星光的傳播。熱力學模型表明，最有可能構成這種大氣的氣體包括甲烷、氮氣或一氧化碳。

該物體的小尺寸使得這項發現與國際科學界更相關。 (612533) 2002 XV93 的直徑約為 500 公里，與冥王星 2,377 公里的直徑相比，這個尺寸不算大。如此小的天體維持氣態層的能力違反了迄今為止應用於太陽系外部區域的行星物理定律。

• 該天體的軌道距離太陽超過55億公里。
• 這次的探測是由位於京都、長野和福島的望遠鏡進行。
• 星光的折射時間剛好持續了1.5秒。
• 計算出的大氣壓力比地球低1000萬倍。
• 化學元素甲烷和氮是成分中的主要候選元素。

這些揮發性元素以氣態存在需要特定的溫度和壓力條件。在柯伊伯帶的冰凍環境中，大多數氣體應該保持固態，以冰的形式沉積在表面。持續昇華，或內部材料的主動釋放，是補充稀薄大氣的必要機制，防止其在數千年中完全消散到太空真空中。

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行星形成模型的挑戰

從歷史上看，科學家認為，如此小而冷的天體缺乏保持穩定大氣層的引力能力。 500公里物體的微弱重力加上接近絕對零度的溫度有利於任何氣體迅速流失到外太空。新的光度記錄從根本上改變了關於海王星外天體行為的既定觀點。

在這一事件得到證實之前，冥王星仍然是該空間區域具有大氣層的天體的唯一被證明的例子。詳細的研究發表在科學期刊《自然天文學》上，該雜誌是該領域最受尊敬的雜誌之一。該論文為天文目錄的全面修訂鋪平了道路，並鼓勵針對柯伊伯帶其他較小天體開展新的觀測活動。

軌道動力學專家認為，檢測到的現象可能表明太陽系外圍的地質活動比先前假設的要大得多。活躍大氣層的存在表明，這些小世界的內部可能蘊藏著大約 46 億年前太陽系形成時殘留的熱源。

火山活動假說與空間影響

天文物理學家目前正在研究兩個主要過程來解釋這種意想不到的氣體層的起源和維持。第一個假設涉及低溫火山爆發的發生。與噴出熱岩漿的陸地火山不同，低溫火山從矮行星冰冷的內部釋放出水、氨和甲烷的混合物。這種揮發性物質到達表面並立即昇華，為大氣層提供燃料。

第二條調查線索指向暴力外在事件。最近與另一個較小天體（例如流浪彗星或小行星）的撞擊可能加熱了 (612533) 2002 XV93 的表面。碰撞產生的動能足以融化和蒸發深層冰，釋放出被微弱的局部重力困住的揮發性物質雲。研究中心正在對這兩種假設進行嚴格的數學評估。

這次探測增強了航太機構在未來針對外部區域的任務中的戰略利益。原始物體保存著太陽系形成的完整化學線索。它們代表了產生地球和其他巨行星的最初原行星盤的冰凍殘餘物。柯伊伯帶不再被視為惰性環境，現在被視為複雜地球物理過程的動態空間。