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科学家发现天王星云层顶部的硫化氢

1986年1月24日由Voyager 2拍摄的新月形天王星图像揭示了冰冷的蓝色气氛。尽管旅行者2号的飞行距离很近,但气氛的构成至今仍然是一个谜。图片来源:美国国家航空航天局/喷气推进实验室

硫化氢,这种让臭鸡蛋产生独特气味的气体,渗透到地球天王星的高层大气中 - 这一直是一直以来争论不休的问题,但从未得到明确证实。基于对双子座北望远镜进行灵敏的光谱观测,天文学家揭示了巨型行星云顶高速旋转的有毒气体。这一结果解决了我们的太空邻居中一个顽固的,长期存在的谜团。

即使经过数十年的观测以及旅行者2号航天飞机的参观,天王星还是坚持了一个重要的秘密,即云的组成。现在,这颗行星的一个关键组成部分终于得到验证。

来自英国牛津大学的Patrick Irwin和全球合作者用光谱学方法解析了由夏威夷Maunakea上的8米双子星北部望远镜拍摄的来自天王星的红外光。他们在天王星的云顶发现了硫化氢,这是大多数人避免的有气味的气体。长期以来寻求的证据发表在4月23日的“自然天文学”杂志上。

利用近红外积分场光谱仪(NIFS)获得的双子座数据采集了来自天王星大气层主要可见云层正上方区域的反射太阳光。 “尽管我们试图发现的线路几乎不存在,但由于NIFS对双子座的敏感性,以及Maunakea的精致条件,我们能够毫不含糊地发现它们。”Irwin说。 “虽然我们知道这些线会在检测的边缘,但我决定在我们获得的双子星数据中寻找它们。”

美国国家科学基金会的克里斯戴维斯说:“这项工作是一种极具创新性的仪器,它最初设计用于研究遥远星系中心的巨大黑洞周围的爆炸性环境。”他是双子座望远镜的领先供资者。 “使用NIFS解决我们自己的太阳系长期存在的谜团,是其使用的强大延伸。”戴维斯补充道。

天文学家一直在讨论天王星云的组成以及硫化氢和氨是否在云层中占主导地位,但无论如何都缺乏明确的证据。 “现在,得益于改进的硫化氢吸收线数据和精彩的双子星谱,我们的指纹已经成为罪魁祸首,”欧文说。根据Irwin的说法,光谱吸收线(气体吸收一部分来自反射阳光的红外线)特别脆弱且难以检测。

硫化氢在天王星云层(大概是海王星)中的检测高度与内部气体巨星行星木星和土星形成鲜明对比,木星和土星在云层上没有看到硫化氢,但是观测到了氨。大部分木星和土星的云层都由氨冰组成,但天王星似乎并非如此。大气成分的这些差异揭示了关于行星形成和历史的问题。

英国莱斯特大学研究小组的成员Leigh Fletcher补充说,气体巨人(木星和土星)的云甲板和冰巨人(天王星和海王星)之间的区别可能是印记方式在这些世界诞生的时候。 “在我们的太阳系形成过程中,氮和硫之间的平衡(以及氨和天王星的新探测到的硫化氢)是由行星地层的温度和位置决定的。”

天王星早期形成的另一个因素是有力的证据表明,我们的太阳系的巨大行星很可能从他们最初形成的地方迁移而来。因此,确认这些构成信息对于理解天王星的出生地,演化和行星迁徙模式的提炼是非常宝贵的

根据Fletcher的说法,当云层形成凝结时,它将云层中的云母气藏锁定在深层的内部储层中,隐藏在我们通常可以用望远镜看到的层面之下。弗莱彻说:“只有很少的一部分像云层一样饱和蒸气。” “这就是为什么捕捉天王星云甲板上氨和硫化氢的特征非常具有挑战性的原因。双子座的卓越能力终于给了我们这个幸运的休息,“弗莱彻总结道。

NASA喷气推进实验室的Glenn Orton和研究小组的另一位成员指出:“我们强烈怀疑硫化氢气体影响了天王星的毫米级和无线电频谱一段时间,但我们无法确定所需的吸收量以积极鉴别它。现在,这个难题的一部分也正在落实。“

虽然结果设定了天王星周围硫化氢数量的下限,但推测即使在这些浓度下,这些效应对人类也会有什么影响。 “如果一个不幸的人从来没有穿过天王星的云层,他们会遇到非常不愉快和有气味的情况。”但根据欧文的说法,恶臭并不是最糟糕的。 “在主要由氢气,氦气和甲烷组成的负200摄氏度的大气中,窒息和暴露在气味发生前很久就会消耗殆尽,”Irwin总结道。

新的发现表明,尽管大气对人类来说可能是不愉快的,但这个遥远的世界是探索早期历史的沃土我们的太阳系,也许了解其他大型冰封世界的物理条件,它们围绕太阳以外的恒星旋转。

出版物:Patrick GJ Irwin等人,“探测天王星大气层云层上方的硫化氢”,自然天文学(2018)doi:10.1038 / s41550 -018-0432-1