Ученые наблюдают за уменьшением атмосферы далекой планеты

Дворецкая планета Плутон продолжает своё движение по эксцентричной орбите, которая составляет 248 лет. В процессе этого путешествия её атмосфера претерпевает изменения, поскольку Плутон начинает 88-летний этап, в течение которого будет проходить через более холодные и темные участки внешней части Солнечной системы. Как следствие, атмосфера, в основном состоящая из азота, постепенно истончается и в конечном итоге может замерзнуть в течение следующих десятилетий. Когда это произойдет, атмосфера может уменьшиться, но не обязательно полностью упадет на поверхность.

Плутоновые слои тумана, наблюдаемые New Horizons в 2015 году. Свет звезд, проходящий через слои, может раскрыть детали их структуры и изменения со временем. Кредит: NASA/JHUAPL/SwRI

Ученые, возглавляемые старшим научным сотрудником Института планетарной науки Амандой Сикафус, используют свет от далеких звезд для отслеживания процесса истончения атмосферы, измеряя, сколько звездного света проходит через разреженную атмосферу. Недавние наблюдения показали, что атмосферное давление Плутона уменьшилось на 16% между серединой 2021 года и июлем 2023 года. Ранее, во время пролета New Horizons в 2015 году, давление на поверхности оставалось постоянным на уровне около 1 Паскаля (~10 миллибар), с редкими увеличениями, вызванными солнечным светом, падающим на северный полюс. Для сравнения, это примерно 1/100000 давления на поверхности Земли, которое составляет около 101000 Па. Также наблюдаются изменения в структуре атмосферы между верхними и нижними слоями.

Отслеживание звездного света для наблюдения изменений в атмосфере

Изучать атмосферу Плутона из других частей Солнечной системы сложно, так как это маленький мир, находящийся на большом расстоянии. Мы знаем, что, приближаясь к перигелию (ближайшей точке к Солнцу), Плутон получает больше тепла, чем в афелии, что вызывает атмосферные изменения со временем. Ранее планетарные ученые считали, что при достижении Плутоном афелия его атмосфера замерзнет и упадет на поверхность. Однако это может не произойти, и новые атмосферные модели, основанные на наблюдениях и данных с пролета, предполагают, что часть атмосферы может сохраняться на протяжении всего 248-летнего "года". Поэтому наблюдатели должны полагаться на изменения в существующей атмосфере в процессе её движения по космосу.

Существует хотя бы одно полезное наблюдательное свидетельство, которое дает ученым надежду на наблюдение изменений в атмосфере: газы образуют туманы. По мере снижения давления эти туманы начинают истончаться. В конечном итоге они могут опуститься ниже на поверхность (и, возможно, некоторые из них действительно могут покрыть поверхность Плутона). Точные физические процессы атмосферы пока недостаточно изучены, но они тесно связаны с характеристиками ледяной поверхности Плутона, согласно Сикафус. "Мы находимся в особенно интересный момент для Плутона, — пояснила она. — Наша работа предполагает, что атмосфера недавно начала снижаться в давлении. Я надеюсь, что в ближайшие годы мы сможем получить больше данных, чтобы подтвердить или опровергнуть эту тенденцию."

Эти карты показывают примерные пути теней оккультации Плутона. Четыре из десяти оккультаций могли быть наблюдаемы из нескольких мест на Земле в последних исследованиях. Сплошные линии указывают на верхнюю, среднюю и нижнюю части тени Плутона в каждую дату, а стрелки внизу изображения показывают направление движения тени. Белый текст указывает на местоположения успешных наблюдательных станций. Черные точки — ближайшие подходы Плутона к Земле в центрах путей теней. Кредит: А. Сикафус

Итак, как изучать далекую, разреженную атмосферу по мере её уменьшения и замерзания? Ответ заключается в событиях, называемых "оккультациями". Эти события происходят, когда Плутон (или любой другой мир) проходит перед (оккультирует) более удаленной звездой или другим объектом. Когда Плутон это делает, свет далеких звезд может проходить через атмосферу. Этот путь через разреженный газовый покров изменяет свет звезд. Часть света поглощается или отклоняется и теряется для нашего взгляда. "Глубина" туманов определяет, сколько света поглощается. Если тумана много, больше света исчезает, чем в областях, где тумана мало. Таким образом, изменения в свете могут дать карту туманов и их толщины в любой момент времени. На основе многократных наблюдений ученые могут измерить, как туманы истончаются и опускаются ближе к поверхности.

Плутон ставит перед нами задачи

Оккультации далеких звезд Плутоном могут быть сложными. Несмотря на свою тусклость, когда Плутон оккультирует звезду, это отбрасывает тень планеты на нашу планету. Это тусклая тень, но с правильными инструментами её можно зафиксировать и измерить. Однако это также означает, что тень может распространяться на тысячи миль по континентам и океанам. Поэтому группы наблюдателей также распределяются по путям тени, как мы делаем это для солнечных затмений на Земле. Это создает сложности в сборе данных о атмосфере Плутона, но также имеет свои плюсы: разные наблюдатели в разных регионах будут фиксировать данные о различных частях атмосферы Плутона. Сикафус отметила, что команды часто ищут пути, которые приведут тень над местами с хорошими условиями для наблюдений. "Мы часто предпочитаем наблюдать предсказанные оккультации, которые имеют пути теней над крупными обсерваториями, так как это оборудование и данные оказались успешными," — сказала она. "Затем мы стараемся улучшить эти наборы данных, сотрудничая с местными наблюдателями в путях тени."

Когда оккультация начинается, команды ищут четкие изменения в данных о атмосфере Плутона и его туманах. Важнейшими в этих наблюдениях являются изменения яркости звезды в течение события. Команды используют телескопы, чтобы измерить, сколько света фиксируется до, во время и после оккультации. Это позволяет им вычислить, насколько свет тускнеет (или отклоняется частицами в атмосфере) и как долго проходит, прежде чем свет вернется. Это, в свою очередь, дает хорошее представление о плотности атмосферы в различных регионах.

Кривая света от оккультации 1 июня 2026 года, наблюдаемая из обсерватории Savannah Skies в Чиллагое, Квинсленд, Австралия. Серые вертикальные линии указывают на разные стадии оккультации. Базовый уровень потока содержит комбинированный свет звезды и системы Плутона (Плутон плюс все его луны). Поток постепенно снижается, когда свет звезды изгибается и рассеивается в атмосфере Плутона, достигая почти нулевого потока, определяемого только светом, исходящим от системы Плутона. Когда звезда появляется с другой стороны Плутона, свет постепенно возвращается в атмосферу, прежде чем вернуться к полной мощности. Кредит: А. Сикафус

"Меня постоянно поражает, как простая техника наблюдения за затмением света звезд позволяет нам изучать тонкую атмосферу — всего лишь несколько миллионных долей атмосферы Земли — на мире, который в два раза меньше нашей Луны и находится в 30 раз дальше от Солнца," — отметила Сикафус.

Научные исследования атмосферы через оккультации

Измерение множества оккультаций является трудоемким способом косвенно измерить атмосферу планеты и её изменяющееся давление. В своей статье команда отмечает очевидные изменения на Плутоне, включая некоторые вариации между различными регионами атмосферы Плутона. Они пишут: "Наши результаты указывают на плато давления между пролётом New Horizons в 2015 году и примерно 2021 годом и предполагают, что атмосферное давление начало снижаться. Между 2015-2021 и 2022 годами давление в ясной атмосфере на высоте 1275 км снизилось на 7 ± 6%, а на высоте 1215 км — на 16 ± 2%, включая туман.

"С 2017 по 2023 годы структура верхней атмосферы остается постоянной, в то время как наблюдается изменение наклона кривой света в нижней атмосфере. Это изменение наклона согласуется с оседанием частиц тумана в течение годовых или более коротких временных промежутков. Всплески в одной кривой света указывают на периодические волны плавучести."

В конечном итоге, несмотря на полезные измерения оккультаций, многие вопросы остаются без ответа относительно изменений атмосферы Плутона в предстоящие десятилетия. По мере удаления от Солнца, замерзнут ли его газы полностью, или планета сохранит туманную, но меньшую, более плотную атмосферу ближе к поверхности? Очевидно, что необходимы дополнительные измерения и дальнейший анализ текущих данных оккультаций. Это должно пролить больше света на изменяющиеся характеристики верхней и нижней частей атмосферы по мере снижения температур и интенсивности света.