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谷神星的临时大气层与太阳活动有关

来源:未知 时间:2017-05-18 15:29

NASA的黎明号探测器(Dawn spacecraft)检测了谷神星表面1码或1米以上位置的氢含量。蓝色意味着在靠近两级的位置,氢含量较高,红色则表明在低纬度位置,氢含量降低。

Credits: NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA/PSI

长期以来,科学家认为谷神星上可能存在过一个微弱的临时大气层,但是它的起源以及无法长期存在的原因仍是未解之谜。目前研究人员认为,与谷神星与太阳之间的距离相比,这个临时大气层似乎更与太阳活动有关。NASA黎明任务(Dawn mission)的科学家和之前通过其他观测在谷神星上发现水汽的科学家共同完成了此项研究。

“我们认为谷神星上临时大气层的生成是太阳活动的结果。”加州大学洛杉矶分校(University of California, Los Angeles,UCLA)研究人员,《天体物理学通讯》(Astrophysical Journal Letters)上一项新研究的主作者Michaela Villareal说。

“我们的研究结果同时表明太阳系其他没有大气但富含水分(airless,water-rich)的天体,包括月球的极圈和其他小行星,在太阳活动爆发时,也许也能在它们的表面观测到大气释放(atmospheric releases)。”UCLA的黎明任务首席研究员(principal investigator)Chris Russell说。

在2015年黎明号抵达谷神星之前,有证据表明在特定时间的几次观测中曾发现了大气层的存在,但是在另外几次观测中却没有发现,这意味着大气层是个短暂的现象。国际紫外探测器(International Ultraviolet Explorer satellite,IUE)在1991年观测到氢氧基排放(hydroxyl emission),但是在1990年却没有。然后在2007年,欧洲南方天文台(European Southern Observatory,ESO)的甚大望远镜(Very Large Telescope)试图搜索氢氧化物的排放(hydroxide emission),但没有任何结果。欧航局(European Space Agency,ESA)的赫歇尔空间天文台(Herschel Space Observatory)曾三次在可能很稀薄的大气层或外逸层中发现了水,但是他们的第四次尝试却没有任何发现。

随着2015年3月黎明号开始了对谷神星的彻底研究,科学家发现了冰冻水(water in form of ice)存在的大量证据。探测器的伽马射线和中子探测器(gamma ray and neutron detector,GRaND)发现其最表层富含氢元素,这一发现与冰冻水广泛分布的结论相吻合。2016年一项发布于《科学》杂志的研究发现,在更高的纬度,气温更低,这些冰也更接近地表。在一个叫Oxo的明亮小陨石坑(small bright crater)和至少一个长期处于北半球阴影中的陨石坑里,科学家直接发现了冰的存在。其他研究表明长期处于阴影中的陨石坑很有可能富含冰。另外,陨石坑的外形和其他特征也与地壳中大量存在冰冻水(water-ice)的结论相吻合。

由于这一大量水冰存在的证明,许多科学家认为谷神星经历了与彗星同样的过程才产生了外逸层,尽管后者的体积要小很多。在那个模型中,随着谷神星不断接近太阳,表面或浅表的冰升华后产生了更多的水汽。

但是新的研究表明,类似彗星的行为也许不能解释这个临时大气层时而可观测时而不可观测的现象。

“升华也许是有的,但是我们不认为这一现象足以产生我们观测到的外逸层所需的气体量。”Villarreal说。

Villarreal和同事展示了过去观测到临时大气层时,来自太阳的高能质子浓度更高的现象。没有观测到临时大气层时,这些粒子浓度较低。而且当谷神星距离太阳距离最近,即之前模型中谷神星大气层最佳观测时段,大气层却并没有出现。这表明相比谷神星与太阳之间的距离,太阳活动才是外逸层生成中更重要的因素。

研究从2016年《科学》杂志上一份由Chris Russell领衔的报告开始。借助GRaND的数据,报告中认为在2015年一个为期6天的时间段内,谷神星从太阳风的加速电子(accelerated electrons)中获得了极大的能量。

在谷神星目前的轨道上,它正在不断靠近太阳。但是太阳目前正处于一个为期若干年的较平稳期。由于他们的研究认为谷神星的外逸层与太阳活动有关,报告的作者预测在一段时间里,谷神星将只有极少甚至没有任何大气层。但是他们仍建议其他天文台观测谷神星未来的气体释放。

黎明号目前正在完成后续任务,在一个椭圆的轨道上研究谷神星。工程师正在操作探测器运行至一个不同的轨道平面上,以便从新的角度观测谷神星。首要的科学研究目标是测量宇宙射线,以协助测定谷神星表面有何种化学元素。另外,在4月下旬,太阳会运行到黎明号的正后方,这时的探测器将位于距离谷神星表面约12300英里(2万公里)的高度。在这种情况下,谷神星会比之前更亮,也许届时能发现更多关于它的构成和历史的秘密。

黎明任务是由NASA位于华盛顿的科学任务理事会(Science Mission Directorate)授权喷气推进实验室(JPL)管理。黎明号是理事会的发现项目(Discovery Program)中的一部分,该项目由NASA位于阿拉巴马亨茨维尔的马歇尔空间飞行中心(Marshall Space Flight Center in Huntsville, Alabama)负责管理。UCLA负责整个黎明任务的科学研究工作。位于弗吉尼亚杜勒斯(Dulles,Virginia)的Orbital ATK Inc.公司负责设计并建造了探测器。德国航空航天中心(German Aerospace Center),马克斯普朗克太阳系研究所(Max Planck Institute for Solar System Research),意大利航天局(Italian Space Agency)和意大利国家天体物理研究所(Italian National Astrophysical Institute)作为国际合作伙伴参与了这项任务。本项任务参与者的完整名单请访问:

http://dawn.jpl.nasa.gov/mission