天文学家发现冥王星在释放神秘低能量X射线

2017-05-04 15:01

科学家们利用NASA钱德拉X射线望远镜(Chandra X-ray Observatory)已首次探测到来自冥王星的X射线。这些观测为人们提供了这个太阳系外层区域最大、最著名天体周围空间环境的新认识。
在NASA的新视野号(New Horizons)飞船高速飞向并远离冥王星期间，钱德拉望远镜数次瞄准这颗矮行星及其卫星，收集来自冥王星的数据，用于与新视野号飞越冥王星后的数据进行比较。
每次钱德拉望远镜指向冥王星——自2014年2月至2015年8月共四次——均从这颗小行星上探测到低能量X射线。

冥王星发射X射线的首次发现，是由NASA钱德拉X射线望远镜与NASA新视野号飞船协同观测获得。图片提供：X射线照片由NASA、CXC、JHUARL以及R. McNutt等提供;光学照片由NASA和JHUAPL提供。
冥王星是柯伊伯带(Kuiper Belt)中的最大天体，柯伊伯带是一个环状或带状区域，包含大量在天王星(Neptune)外侧绕太阳运行的小天体。柯伊伯带始于天王星轨道，此处距离太阳是地日距离的30倍，并延伸到约50倍地日距离的区域。冥王星轨道范围与整个柯伊伯带相当。
“我们已首次探测到X射线从我们的柯伊伯带中的一个天体中发出，并发现冥王星与太阳风之间存在一种出人意料并且强烈的相互作用。” Carey Lisse说。Carey Lisse是马里兰州劳雷尔的约翰霍普金斯大学(Johns Hopkins University)应用物理实验室(Applied Physics Laboratory, APL)的天体物理学家，他领导钱德拉望远镜团队以及APL的同事、新视野号合作研究者Ralph McNutt。Carey Lisse 还表示：“我们可以认为，柯伊伯带中其他的大天体也存在相同现象。”
钱德拉望远镜团队最近在《伊卡洛斯：国际太阳系研究杂志》( Icarus)在线发表了这个发现。报告详细介绍了这个Lisse认为有些惊人的发现，冥王星作为一个寒冷、坚硬且没有磁场的天体，自身并不能发射X射线。但Lisse在20年前就已领导团队首次从一颗彗星上探测到X射线，清楚此类行星周围的气体通过与太阳风的相互作用(从太阳发出并高速穿越太阳系的稳定带电粒子流)能够产生X射线。
新视野号的科学家们曾非常着迷于进一步了解冥王星大气层中气体与太阳风间的相互作用。新视野号自身携带有一个仪器，用于近距离观测这种被贴切称为绕冥太阳风(Solar Wind Around Pluto, SWAP)的相互作用，科学家利用观测结果描绘了一幅冥王星的图景，它带有一个非常微弱的、贴近它的弓形激波，太阳风正是在激波位置首先“吹”到冥王星(类似超音速飞机头部形成的激波)，在冥王星后面还有一个小尾迹或小尾巴。
现在的谜团是钱德拉望远镜测得的X射线亮度，远高于对太阳风与冥王星大气层相互作用的估计值。
“在我们的发现之前，科学家们以为我们不大可能从冥王星探测到X射线，这引发了一场关于钱德拉望远镜是否根本就不应该观测冥王星的大辩论。”合作研究者Scott Wolk如是说，他是马萨诸塞州剑桥的哈佛-史密森学会天体物理学中心(Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics)天体物理学家，“在冥王星之前，被探测到发射X射线的太阳系最遥远天体是土星环。”
钱德拉望远镜的观测结果特别惊人，因为新视野号发现冥王星大气层比迅速逃逸的彗星状大气要稳定得多，而这种彗星状大气曾是科学家们在新视野号2015年7月飞过冥王星之前的估计。实际上，新视野号发现，冥王星与太阳风的相互作用更加类似于火星与太阳风的相互作用，而不是彗星与太阳风的相互作用。然而，虽然冥王星从其大气层中散发的气体足以产生出被观测到的X射线，但根据计算太阳风在冥王星处密度的简化模型，那里并没有足够的太阳风吹向冥王星产生X射线。
Lisse和他的同事们，包括绕冥太阳风的合作研究者，普林斯顿大学David McComas和来自西南研究所(Southwest Research Institute)的Heather Elliott，提出了几种能解释冥王星X射线更强的可能原因。其一是冥王星的气尾比新视野号绕冥太阳风探测装置的探测结果更宽、更长。其他的可能原因是，冥王星磁场从太阳风中聚焦到的粒子比预计得更多，也可能是太阳风在冥王星所在的外太阳系处密度低，这可以产生一种甜圈状或花环状的中性气体围绕冥王星轨道。
钱德拉望远镜的测量与新视野号的近距离观测结果不太吻合，这其实是一个有益而且美丽的机会，就像新视野号飞经冥王星一样。“当你遇到新视野号飞经冥王星这种一生一次的机遇，你会希望把每块镜片，也就是地球和地球轨道上的每台望远镜都指向目标”，McNutt说，“这些结果汇总一起将展示给你一个完整得多的结果，它无法在其他时间和其他地点获得。”
新视野号现在有一个机会检验这些发现，并进一步探索这个距离地球数十亿英里之遥的区域，这是近期批准的新视野号扩展任务的一部分，其目的是探测柯伊伯带，并在2019年1月1日抵达另一个更小的柯伊伯带天体2014MU69。虽然钱德拉望远镜不太可能从MU69上探测到X射线，但却可能从那些更大、更近的天体发现X射线，这些天体将由新视野号在柯伊伯带中飞往MU69的途中实施观测。
马里兰州劳雷尔的约翰霍普金斯大学APL设计、建造并操纵新视野号飞船，并为NASA科学任务理事会(Science Mission Directorate)管理该任务。阿拉巴马州横茨维尔的NASA马绍尔太空飞行中心(Marshall Space Flight Center)为NASA科学任务理事会管理钱德拉望远镜项目。马萨诸塞州剑桥的史密森天体物理天文台(The Smithsonian Astrophysical Observatory)控制钱德拉望远镜的科学和飞行任务。
来源：NASA中文爱好者团队

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