مه موجود در جوّ پلوتو، نقش کلیدی در تعادل انرژی این سیاره کوتوله ایفا میکند. از یکسو با جذب نور فرابنفش خورشید، ذرات مه انرژی لازم را برای گریز به فضا به دست میآورند و از سوی دیگر، همین مه باعث سرد شدن جوّ پلوتو میشود.
تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) کشف کرده است که مه نازکی که بر فراز پلوتوی یخزده گسترده شده، نهتنها باعث سرد شدن جو این سیاره کوتوله شده، بلکه همزمان به مولکولهایی چون متان و ترکیبات آلی دیگر انرژی لازم برای خروج از جو پلوتو را داده است. برخی از این مولکولها پس از خروج، توسط قمر نزدیک پلوتو، یعنی “شارون”، جذب میشوند.
وجود این مه در سال ۱۳۹۶ توسط «شی ژانگ»، دانشمند سیارات از دانشگاه کالیفرنیا در سانتا کروز، پیشبینی شده بود تا دلیل نشت شدید جو پلوتو را توضیح دهد. بر اساس دادههای مأموریت نیوهورایزنز ناسا که در سال ۱۳۹۴ از کنار پلوتو و شارون گذشت، «ویل گراندی» از رصدخانه لوول در آریزونا تخمین زد که جو پلوتو هر ثانیه ۱.۳ کیلوگرم متان به فضا از دست میدهد. حدود ۲.۵ درصد از این متان به وسیله شارون جذب شده و باعث سرخ شدن قطبهای آن میشود—پدیدهای بیسابقه در منظومه شمسی.
در گذشته دلیل این نشت جوی ناشناخته بود، اما ژانگ حدس زد اگر لایهای از مه در جو پلوتو وجود داشته باشد، میتواند با جذب نور فرابنفش خورشید، به مولکولها انرژی لازم برای گریز از جو بدهد. علاوه بر این، او دریافت که همین مه میتواند اثر خنککنندهای نیز داشته باشد—اثری که پیشتر در لایه مزوسفر پلوتو (لایه سوم جوّ، بالاتر از تروپوسفر ضعیف و استراتوسفر چگالتر) دیده شده بود.
مزوسفر پلوتو بین ارتفاع ۲۰ تا ۴۰ کیلومتری قرار دارد و حداکثر دمای آن به منفی ۱۶۳ درجه سلسیوس میرسد و سپس با نرخ ۰.۲ درجه در هر کیلومتر کاهش مییابد تا به حداقل دمای منفی ۲۰۳ درجه سلسیوس برسد.
تا پیش از JWST، هیچگاه وجود مه در پلوتو اثبات نشده بود. اما حالا تلسکوپ جیمز وب با ابزار دقیق فروسرخ میانیاش (MIRI) و قدرت تفکیک بالا، توانسته تشعشعات حرارتی میانی را که نشانه وجود مه هستند، از پلوتو بهطور مستقل از شارون ثبت کند.
(اعتبار تصویر: ناسا / JHUAPL / SwRI)
«تنگی برتراند» از رصدخانه پاریس، که سرپرستی تیم را برعهده داشت، گفت: «ما واژه ‘مه’ را برای توصیف لایههایی از ذرات جامد معلق در جوّ بهکار میبریم. این ذرات نور را پراکنده کرده و باعث کاهش دید میشوند و لایهای نیمهشفاف و پخششونده بهوجود میآورند.»
جوّ پلوتو عمدتاً از نیتروژن تشکیل شده و حاوی مقدار کمی دیاکسید کربن و هیدروکربنهایی مانند متان، بنزن، دیاستیلن و سیانید هیدروژن است. این جو بسیار رقیق است—فشار سطحی آن تنها ۱۳ میکروبار است، در حالی که فشار جو زمین حدود ۱ میلیون میکروبار است. به دلیل گرانش پایین پلوتو، جوّ بالایی آن تا چند شعاع سیارهای گسترش یافته است (شعاع پلوتو حدود ۱۱۸۸ کیلومتر است). برای فرار از جو، مولکولها تنها به یک «تلنگر» کوچک نیاز دارند که این انرژی از نور خورشید تأمین میشود.
برتراند توضیح میدهد: «بخش قابل توجهی از نور فرابنفش شدید خورشید توسط جو بالایی جذب میشود و این گرما باعث از دست رفتن جرم جو میشود. گازهایی مانند نیتروژن و متان عامل جذب این تابشها هستند.»
اما چگونه مه میتواند هم باعث گرمایش و هم سرمایش شود؟
برتراند میگوید: «گرم یا سرد شدن به ویژگیهای مه بستگی دارد، مانند اندازه ذرات، شکل، و ترکیب شیمیایی آن—مثلاً یخی یا غیریخی بودن. این ویژگیها هنوز بهخوبی شناخته نشدهاند و ما در حال بررسی آن با مدلسازیهای دقیق در مقیاس میکرو (اتمی و مولکولی) هستیم.»
توانایی مه در ایجاد گرمایش یا سرمایش، به این معنی است که مه تعادل انرژی در جو پلوتو را کنترل میکند و بر دمای جهانی، گردش جو و آنچه بهعنوان اقلیم در این سیاره کوتوله سرد شناخته میشود، تأثیر میگذارد. این اقلیم تحت تأثیر چرخههای تصعید و انجماد نیتروژن، متان و منوکسید کربن قرار دارد که بیشتر آنها از یخچال عظیم در اسپوتنیک پلانیتیا، یعنی ویژگی قلبمانند پلوتو، منشا میگیرند.
ژانگ درباره این تعادل انرژی گفت: «بر اساس مشاهدات دمایی نیوهورایزنز در سال ۱۳۹۴، دریافتیم که گرمایش گازی بسیار بیشتر از سرمایش گازی است، پس جو پلوتو بهطور خالص گرم میشود. برای حفظ تعادل انرژی در چنین شرایطی، مه باید نقش خنککننده خالص را ایفا کند. اما هنوز مشخص نیست که آیا مه در فصلهای دیگر نیز چنین اثری دارد یا نه؛ زیرا فصلهای پلوتو به شدت متغیرند!»
تغییرات شدید فصلی پلوتو ناشی از مدار بیضویاش است که آن را گاه نزدیکتر از نپتون به خورشید و گاه تا دو برابر آن فاصله میبرد. این تفاوت فاصله، حتی در این بخشهای دوردست منظومه شمسی، تأثیر قابل توجهی بر گرمایش دریافتی پلوتو دارد.
مه پلوتو از نظر ترکیب شیمیایی به مه غنی از هیدروکربن در قمر زحل، تیتان، شباهت دارد. هر دو مه حاصل واکنشهای نوری بین نور فرابنفش خورشید با مولکولهایی مثل نیتروژن و متان هستند. حتی زمین اولیه، پیش از شکلگیری جو غنی از اکسیژن در حدود ۲.۴ میلیارد سال پیش، ممکن است جوی مهآلود مشابه پلوتو، اما بسیار متراکمتر، داشته بوده باشد. از این رو، شناخت جو پلوتو میتواند سرنخهایی از آغاز شکلگیری زمین نیز به ما بدهد.
این پژوهش جدید در تاریخ ۱۲ خرداد در نشریه Nature Astronomy منتشر شده است.
