Первые наблюдения Плутона космическим телескопом Джеймса Уэбба (JWST) NASA выявили драматические явления на его поверхности, такие как сезонные циклы перераспределения летучего льда и перенос материала из атмосферы Плутона на его основной спутник — Харон. Это взаимодействие, не имеющее аналогов в Солнечной системе, подробно описано в серии исследований, опубликованных этой весной международной группой учёных.
Профессор кафедры наук о Земле и планетах из Калифорнийского университета в Санта-Крузе Си Чжан впервые выдвинул гипотезу об атмосфере Плутона на основе данных, полученных космическим аппаратом NASA «Новые горизонты» в 2015 году. Менее чем за десятилетие до этого Плутон лишился статуса полноценной планеты и был отнесён к категории «карликовых планет» из-за несоответствия ряду космических критериев.
В 2017 году Чжан опубликовал статью, в которой предположил, что в атмосфере Плутона преобладают частицы дымки, что делает её совершенно отличной от атмосфер других планет Солнечной системы. Он выдвинул гипотезу, что эти частицы дымки нагреваются и охлаждаются, контролируя энергетический баланс в атмосфере Плутона.
«Это была сумасшедшая идея», — сказал Чжан, добавив, что многие его коллеги тогда выразили скептицизм. Однако в своей статье 2017 года он и его соавторы сделали чёткое предсказание: если дымка охлаждает Плутон, она должна излучать сильное среднеинфракрасное излучение, что можно будет наблюдать с помощью достаточно большого и мощного телескопа.
Этот момент настал в Рождество 2021 года, когда NASA запустило JWST в космос для проведения наблюдений, которые превзойдут те, что проводились наземными предшественниками за последние несколько десятилетий.
Текущее исследование JWST было вдохновлено гипотезой 2017 года. «Мы были очень горды, потому что это подтвердило наше предсказание», — сказал Чжан. «В планетологии нечасто случается, чтобы гипотеза подтверждалась так быстро, всего за несколько лет. Так что мы чувствуем себя довольно удачливыми и очень воодушевлёнными».
Новые данные о Плутоне и Хароне
Наблюдения с помощью JWST позволили по-новому взглянуть на эту далёкую систему. Как сообщается в серии статей, опубликованных этой весной, инструмент MIRI телескопа впервые позволил провести отдельные измерения среднеинфракрасного теплового излучения Плутона и Харона в виде световых кривых на длинах волн 18, 21 и 25 мкм.
В мае 2023 года инструмент зафиксировал высококачественный спектр Плутона и его атмосферы в среднеинфракрасном диапазоне (4,9–27 мкм). Этот спектральный диапазон, ранее не исследованный из-за недостаточной чувствительности более ранних приборов, выявил неожиданное химическое богатство, что позволило лучше понять атмосферные процессы и происхождение льдов Плутона.
Кривые света JWST также выявили вариации поверхностного теплового излучения Плутона и Харона во время их вращения. Сравнивая эти данные с тепловыми моделями, исследователи смогли установить жёсткие ограничения на тепловую инерцию, коэффициент излучения и температуру различных регионов Плутона и Харона. Эти свойства определяют глобальное распределение льдов на Плутоне и отток атмосферных молекул к Харону.
Новые данные JWST подтвердили второе предсказание, сделанное бывшей аспиранткой Чжана Линьфэн Вань, соавтором статьи в журнале Nature Astronomy. Новые наблюдения хорошо согласуются с центральным предсказанием их исследования 2023 года об амплитуде вращающейся кривой света Харона.
«Плутон занимает действительно уникальное место в диапазоне поведения атмосфер планет, — объяснил Чжан. — Это даёт нам возможность расширить наше понимание того, как ведёт себя дымка в экстремальных условиях».
Чжан добавил, что существует ещё более глубокая связь: «До того как кислород накопился в атмосфере Земли около 2,4 миллиарда лет назад, жизнь уже существовала. Но тогда атмосфера Земли была совершенно другой — без кислорода, в основном азотная, с большим количеством углеводородов».
Для статьи в журнале Nature Astronomy Чжан и его бывшая аспирантка Линьфэн Вань внесли теоретическое моделирование для интерпретации данных JWST, рассчитав тепловые спектры и пересмотрев скорости охлаждения атмосферы Плутона. Команду, стоящую за серией статей, возглавляли исследователи из Лаборатории приборов и исследований в астрофизике Парижской обсерватории и Университета Реймса Шампань-Арденны.