柯伊伯带地表大气之谜

詹姆斯·韦伯太空望远镜是如何帮助测量微小矮行星的

甲烷和乙烷等挥发性气体的相对数量可以揭示遥远柯伊伯带天体的关键细节。

描绘的矮行星塞德娜，它位于遥远的柯伊伯带。（美国航空航天局/喷气推进实验室/加利福尼亚理工学院）

新的研究称，冥王星和遥远柯伊伯带的另一颗矮行星塞德娜之间有着明显化学差异，有助于科学家确定它们各自的质量。

柯伊伯带位于海王星轨道之外，是冥王星和大多数已知矮行星以及一些被认为是太阳系行星形成时代遗迹——彗星的所在地。

柯伊伯带天体上是冰雪的世界，可以看到数十亿年前的样子，”该研究的主第一作者、北卡罗来纳州埃隆大学的研究员阿米莉亚·贝塔蒂解释说，对它们的研究用于了解行星的形成和演化。

最近通过詹姆斯·韦伯太空望远镜（詹姆斯·韦伯太空望远镜）进行了近红外光谱研究，发现冥王星表面有甲烷和乙烷分布，在外太阳系中经常发现的主要挥发性分子，广泛认为是行星形成时的残留物。宽度不到冥王星的一半的”塞德娜”，则只有甲烷。

假设造成这种差异的原因是塞德娜比冥王星小得多，所以引力更弱，”贝塔蒂告诉Space.com。“引力较弱的情况下，甲烷在数十亿年内得以逃逸到太空中，而乙烷是一种更重的化合物，会留在近地表面。”

虽然之前的研究已经确定了挥发物的物体能不能保留的一般界限，但冥王星和塞德娜之间的差异为特定的逃逸过程如何塑造这些遥远物体的表面成分提供了新的线索。塞德娜接近挥发性物质损失的质量阈值，强调了解某些化学物质如何保留或损失的重要性，特别是在比较不同的柯伊伯带天体时。

通过研究甲烷和乙烷如何从塞德娜中逸出，从而计算出塞德娜的质量，以解释它目前的天体表面组成。”“为了解释塞德娜上没有甲烷却有乙烷的存在，必须提高塞德娜的最小质量估计。重要性在于它有助于完善对塞德娜的星体结构和演变的理解。”

在他们的研究中，贝塔蒂和来自美国宇航局喷气推进实验室和加州理工学院的合著者乔纳森·兰尼尔模拟了塞德娜上甲烷和乙烷的水平。他们用两个类似物验证了模型的准确性：67P/丘留莫夫-格拉西门科彗星和土星的卫星土卫二。欧洲的罗塞塔号探测器近距离研究了彗星67P，美国宇航局的卡西尼号探测器在土星系统期间收集了大量关于土卫二的数据。

贝塔蒂说：“这两个物体都有明确的测量结果，都来自太阳系外，并证明了它们的类似化学性质。”为了弄清楚是否有足够的甲烷和乙烷从这些物体中逸出，不再出现在星体的表面光谱中，科学家们还要估计这类化学物质从最初被困在里面的数量。

他们在两种不同的情况下做了研究。一种假设是，甲烷和乙烷与水冰的比例与在土卫二上测量到的相似，另一种假设是冬季在67P彗星上获取数据计算的比例，有助于了解这些化合物随着时间的推移可能出现的损失情况。

“（我们使用）琼斯逃逸模型，这是一种由大气温度驱动的热逃逸，其中移动最快的分子超过逃逸速度，其实大部分分子没有超过，”贝塔蒂说。他们还使用了另一种称为流体动力学逃逸的模型，这种模型发生在大部分分子电解质能够逃逸的情况下，而不仅是那些分布在高速分子团外端的分子。“大部分大气都在运动，逃逸到太空中，”贝塔蒂说。

该模型表明，甲烷在冥王星上保持稳定，但由于塞德娜的质量较低，甲烷从塞德娜中逸出。然而，乙烷在两个物体上都保持稳定，即使使用两种不同的放气率——100%（表明挥发性物质完全释放）和10%（释放较少）。这一结果与观测到的星体表面光谱一致，并为塞德娜提供了更准确的质量估计。该模型还解释了柯伊伯带另一颗被称为“公公”的天体上没有甲烷的原因。

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和赛德娜一样，“公公”行星地表也缺乏甲烷。”“由于‘公公’行星的大小与塞德娜相似，甲烷一定是以类似的方式从行星逸出的。表明较小的柯伊伯带天体随着时间的推移会失去甲烷，而较大的天体，如冥王星，可以保留甲烷。“如果科学家们知道不同的柯伊伯带天体上可能存在哪些气体，它们的逃逸比率以及它们过去的化合成分，他们就可以更好地计划未来的任务。”

这些发现与詹姆斯·韦伯太空望远镜的观测相结合，将帮助科学家了解柯伊伯带内外的大气和表面成分是如何变化的。

“它突出了詹姆斯·韦伯太空望远镜是如何彻底改变我们对最遥远的太阳系天体的理解的，”贝塔蒂说。

这项新研究发表在2月份的《伊卡洛斯》杂志上。

BY:Victoria Corless

FY: Jane