Вчені спостерігають за зменшенням атмосфери віддаленого світу

Коли карликова планета Плутон рухається по своїй далекий, висококутній орбіті тривалістю 248 років, її атмосфера зазнає змін. Це пов'язано з тим, що вона починає подорожувати через холодніші, темніші частини зовнішньої Сонячної системи протягом наступних 88 років. Як наслідок, атмосфера, що складається переважно з азоту, поступово тоншає і, зрештою, може замерзнути впродовж наступних десятиліть. Коли це станеться, атмосфера зменшиться, хоча вона може не повністю впасти на поверхню.

Пухирці атмосфери Плутона, зафіксовані New Horizons у 2015 році. Світло зірок, що проходить через шари, може виявити деталі їх структури та зміни з часом. Джерело: NASA/JHUAPL/SwRI.

Дослідники на чолі з старшим науковцем Інституту планетарних наук Амандою Сікафуз використовують світло від віддалених зірок для відстеження цього процесу зменшення, вимірюючи, скільки світла проходить через розріджену атмосферу. Вони повідомили, що нещодавні спостереження показали, що атмосферний тиск Плутона зменшився на 16% між серединою 2021 року та липнем 2023 року. Раніше, під час прольоту New Horizons у 2015 році, поверхневий тиск залишався стабільним на рівні приблизно 1 Паскаль (~10 мілібар), з періодичними збільшеннями, викликаними сонячним світлом, що падає на північний полюс. Для порівняння, це приблизно 1/100,000 від атмосферного тиску Землі, який становить близько 101,000 Па. Спостереження також показують зміни в атмосферних структурах між верхніми та нижніми шарами.

Відстеження світла зірок для спостереження за змінами в атмосфері

Вивчати атмосферу Плутона з будь-якої точки Сонячної системи, окрім самого Плутона, досить складно. Це невеликий світ, що знаходиться на величезній відстані. Відомо, що коли Плутон наближається до перигелію (найближчої точки до Сонця в своїй орбіті), він отримує більше тепла, ніж на апогей, що викликає атмосферні коливання з часом. Планетарні вчені раніше вважали, що коли Плутон досягне апогей, його атмосфера замерзне і в основному впаде на поверхню. Але це може не відбутися, і нещодавні атмосферні моделі, основані на спостереженнях і даних прольоту, свідчать про те, що він зберігає частину своєї атмосфери протягом свого 248-річного "року". Тому спостерігачі повинні покладатися на зміни в атмосфері, яка існує, поки вона подорожує в космосі.

Ці карти показують приклади шляхів тіней оккультації Плутона. Чотири з 10 оккультацій були спостережені з кількох місць на Землі в останніх дослідженнях. Суцільні лінії позначають верхню, середню та нижню частини тіні Плутона на кожну дату, а стрілки внизу зображення показують напрямок руху тіні. Білий текст вказує на місця успішних спостережних станцій. Чорні точки - це найближчі підходи Плутона до Землі в центрах шляхів тіні. Джерело: А. Сікафуз.

Отже, як вивчити віддалену, тонку атмосферу, коли вона зменшується і замерзає? Відповідь полягає в подіях, званих "оккультаціями". Вони відбуваються, коли Плутон (або будь-який інший світ) проходить перед більш віддаленою зіркою або іншим об'єктом. Коли це відбувається, світло від віддалених зірок може проходити через атмосферу. Цей шлях через розріджену оболонку газів змінює світло зірок. Частина світла поглинається або відхиляється, втрачаючи видимість. "Глибина" хмар визначає, скільки світла поглинається. Якщо хмари щільні, більше світла зникає, ніж в зонах з малою кількістю хмар. Таким чином, коливання світла можуть дати картину хмар і їх товщини в будь-який момент часу. Протягом повторних спостережень вчені можуть вимірювати, як хмари тоншають і опускаються нижче до поверхні.

Плутон ставить виклики

Оккультації віддалених зірок Плутоном можуть бути складними. Хоча це й незначна подія, коли Плутон оккультує зірку, це кидає тінь планети на нашу планету. Це тонка тінь, але з правильними інструментами її можна виявити та виміряти. Проте це також означає, що тінь може розтягуватися на тисячі миль через континенти та океани. Тому команди спостерігачів також розподіляються по шляхах тіні, так само, як ми робимо це під час сонячних затемнень на Землі. Це ускладнює збір даних про атмосферу Плутона, але також має перевагу: різні спостерігачі в різних регіонах захоплюють дані про різні частини атмосфери Плутона. Сікафуз зазначила, що команди часто шукають шляхи, які приведуть тінь над місцями з хорошими спостережними можливостями. "Ми часто віддаємо перевагу спостереженням прогнозованих оккультацій, які мають шляхи тіней над великими обсерваторіями, оскільки це обладнання та дані виявилися успішними," - сказала вона. "Потім ми намагаємось поліпшити ці набори даних, співпрацюючи з місцевими спостерігачами в шляхах тіні."

Коли оккультація починається, команди шукають чіткі зміни в даних про атмосферу Плутона та його хмари. Найважливішим у цих спостереженнях є те, наскільки яскраво зірка виглядає протягом події. Команди використовують телескопи для вимірювання, скільки світла виявляється до, під час і після оккультації. Це дозволяє їм розрахувати, наскільки світло зменшується (або відхиляється частинками в атмосфері) і скільки часу проходить, перш ніж світло повертається. Це, в свою чергу, дає хорошу уяву про щільність атмосфери в різних регіонах.

Крива світла з оккультації 1 червня 2026 року, спостереженої з обсерваторії Savannah Skies у Чіллагое, Квінсленд, Австралія. Сірі вертикальні лінії вказують на різні етапи оккультації. Базовий рівень потоку містить комбіноване світло зірки та системи Плутона (Плутон плюс всі його місяці). Потік поступово зменшується, оскільки світло зірки вигинається та розсіюється в атмосфері Плутона, досягаючи майже нульового потоку, визначеного тільки світлом, що виходить з системи Плутона. Коли зірка з'являється з іншого боку Плутона, світло поступово знову з'являється в атмосфері, перш ніж повернутися до повної сили. Джерело: А. Сікафуз.

"Я постійно вражена тим, як проста техніка спостереження за затуханням та повторною появою світла зірок дозволяє нам вивчати тонку атмосферу – кілька мільйонних часток атмосфери Землі – на світі, що вдвічі менший за наш Місяць і в 30 разів далі від Сонця," - зазначила Сікафуз.

Наукові дослідження атмосфери через оккультації

Вимірювання кількох оккультацій є трудомістким способом непрямого вимірювання атмосфери планети та її змінюваного тиску. У статті команди вони вказують на очевидні зміни на Плутоні, включаючи деякі варіації між різними регіонами атмосфер Плутона. Вони написали: "Наші результати свідчать про плато тиску між прольотом New Horizons у 2015 році і приблизно 2021 роком і вказують на те, що атмосферний тиск почав знижуватися. Між 2015-2021 і 2022 роками тиск у ясній атмосфері на висоті 1275 км зменшився на 7 ± 6%, а на висоті 1,215 км - на 16 ± 2% з урахуванням хмари.

"З 2017 по 2023 роки структура верхньої атмосфери залишається сталою, тоді як спостерігається зміна нахилу світлової кривої в нижній атмосфері. Ця зміна нахилу узгоджується з осадженням частинок хмари на річні або коротші часові масштаби. Піки в одній світловій кривій є показниками інтермітуючих хвиль плавучості."

Незважаючи на ці корисні вимірювання оккультацій, багато питань залишаються без відповіді щодо змін атмосфери Плутона в наступні десятиліття. Чи замерзнуть його гази повністю, коли він віддалиться від Сонця, чи зможе планета зберегти хмарну, але меншу, щільнішу атмосферу ближче до поверхні? Очевидно, що потрібні додаткові вимірювання, а також подальший аналіз поточних даних оккультацій. Це повинно пролити більше світла на змінюючі характеристики верхніх і нижніх частин атмосфери, коли температури та інтенсивність світла зменшуються.