Коли космічний апарат «Нові горизонти» пролетів повз Плутон і Харон у 2015 році, він виявив два дивовижно складні світи та активну атмосферу на Плутоні. Ці знімки переосмислили наше розуміння системи. Тепер нові спостереження за допомогою космічного телескопа Джеймса Вебба (JWST), проведені у 2022 та 2023 роках, показують, що атмосфера Плутона повністю відрізняється від будь-якої іншої в Сонячній системі.
По-перше, він містить частинки серпанку, які піднімаються та опускаються під час нагрівання та охолодження. Атмосфера Плутона являє собою складний серпанок з азоту, метану та чадного газу. Згідно з даними JWST, частинки серпанку контролюють енергетичний баланс атмосфери, нагріваючись та охолоджуючись. Це дуже незвично і не спостерігалося в інших світах Сонячної системи. Спостереження були натхненні ідеєю, запропонованою астрономом Сі Чжаном (Каліфорнійський університет у Санта-Круз) у 2017 році.
«Це була божевільна ідея», – сказав Чжан.
Однак він та співавтори статті почувалися достатньо впевнено, щоб передбачити: якщо серпанок охолоджує Плутон, він повинен випромінювати сильне випромінювання в середньому інфрачервоному діапазоні. Якщо так, то телескоп, чутливий до інфрачервоного випромінювання, повинен мати змогу «побачити» це явище. Натхненна цим передбаченням, команда астрономів під керівництвом Тангі Бертрана з Паризької обсерваторії використала JWST для вивчення контролю димки над тепловим балансом атмосфери Плутона.
«Ми дуже пишалися, бо це підтвердило наше передбачення», — сказав Чжан. «У планетології нечасто гіпотезу підтверджують так швидко, лише за кілька років. Тож нам дуже пощастило, і ми дуже схвильовані».
Плутон, Харон та їхні атмосфери
Атмосфера Плутона являє собою хімічно багату суміш азоту, метану та чадного газу. На відміну від цього, Харон не має помітної атмосфери, хоча може зазнавати сезонного виділення газів. Димка, яку ми бачимо на Плутоні на зображеннях та даних, отриманих під час прольоту New Horizons, є активним експериментом у фотохімії азоту та метану. У цьому відношенні вона схожа на димку, яку ми бачимо на Титані. Розуміння того, як працює цей експеримент, вимагало триваліших спостережень, ніж міг виконати космічний апарат «Нові горизонти».
Спостереження Плутона та Харона, проведені за допомогою JWST у 2022 році, зосередили увагу приладу MIRI на серпанку та атмосфері Плутона. Він також зробив вимірювання 18, 21 та 25 мікронів в обох світах. Однак, щоб по-справжньому зрозуміти атмосферну активність Плутона, вчені хотіли отримати дані лише про його атмосферу. У 2023 році MIRI звернув свою увагу на Плутон і надав дані про атмосферу та димку в середньому інфрачервоному діапазоні (4,9 – 27 мікрон). Це дозволило вченим отримати повнішу картину атмосферних змін та активності Плутона.
Результати виявили зміни в поверхневому тепловому випромінюванні, тобто зміни температури, як на Плутоні, так і на Хароні під час їх обертання. Порівнюючи ці дані з тепловими моделями двох світів, дослідники змогли встановити суворі обмеження на теплову інерцію, випромінювальну здатність та температуру різних регіонів Плутона та Харона. Ці властивості є тим, що визначає глобальний розподіл льоду на Плутоні та переміщує матеріал з Плутона на Харон.
Сезонні цикли розподілу леткого льоду по поверхні призводять до міграції крижаних відкладень по поверхні Плутона. Це майже так, ніби різні крижані відкладення «підбираються» та перерозподіляються в інших місцях. Частина цього матеріалу також повністю витягується з Плутона та осідає на Хароні. Наскільки відомо вченим, такого не відбувається більше ніде в Сонячній системі.
Контроль температури
Нові дані показують, що атмосфера Плутона унікальна серед планетарних атмосфер Сонячної системи. Її радіаційна енергетична рівновага, тобто баланс між надходженням сонячного світла та втратою тепла в космос, контролюється переважно частинками серпанку, а не молекулами газу, як це відбувається в інших світах. За словами Чжана, це робить Плутон ще цікавішим для вивчення. Це також дає деяке уявлення про ранню атмосферу Землі, яка майже повністю складалася з азоту та суміші вуглеводнів.
«Вивчаючи серпанок і хімічний склад Плутона, ми можемо отримати нове розуміння умов, які зробили ранню Землю придатною для життя», – сказав він.
Дослідження JWST – це лише перший крок до розуміння складності взаємодії в атмосфері Плутона, а також її внеску в матеріали, знайдені на Хароні.
«Плутон займає справді унікальне місце в діапазоні поведінки планетарних атмосфер. Тож це дає нам можливість розширити наше розуміння того, як поводиться димка в екстремальних умовах», – пояснив Чжан.
«І це стосується не лише Плутона – ми знаємо, що супутник Нептуна Тритон і супутник Сатурна Титан також мають схожі азотні та вуглеводневі атмосфери, повні частинок серпанку. Тому нам також потрібно переосмислити їхні ролі».