Космический телескоп «Джеймс Уэбб» (JWST) обнаружил, что дымка, окутывающая ледяной Плутон, способствует охлаждению его атмосферы, одновременно выбрасывая метан и другие органические молекулы в космос. Часть этих веществ захватывается Хароном — ближайшим спутником карликовой планеты.

Еще в 2017 году планетолог Си Чжан из Калифорнийского университета в Санта-Крузе предположил, что именно дымка может объяснить, почему атмосфера Плутона так быстро «утекает» в космос. На основе данных зонда «Новые горизонты», пролетевшего мимо Плутона и Харона в 2015 году, ученый Уилл Гранди из обсерватории Лоуэлла в Аризоне подсчитал, что каждую секунду Плутон теряет 1,3 кг метана, причем около 2,5% этого газа оседает на полюсах Харона, окрашивая их в красный цвет из-за сложных органических соединений. Это единственный известный случай в Солнечной системе, когда атмосфера одного тела перетекает на соседнее.

Причина такой утечки долгое время оставалась загадкой, но Чжан предположил, что если в атмосфере Плутона есть слой дымки, она может поглощать ультрафиолетовое излучение далекого Солнца, передавая энергию молекулам и помогая им покинуть планету.

Кроме того, дымка оказывает охлаждающий эффект на атмосферу Плутона — это явление ранее наблюдалось в мезосфере карликовой планеты, расположенной между почти отсутствующей тропосферой и более плотной стратосферой.

Плутоновская мезосфера простирается на высоте от 20 до 40 км, где температура достигает максимума (–163°C), а затем падает на 0,2°C каждый километр, опускаясь до –203°C. Однако до недавнего времени саму дымку обнаружить не удавалось — пока за дело не взялся JWST.

Открытие «Уэбба»

Чжан предсказал, что охлаждение, вызванное дымкой, должно проявляться в виде теплового излучения в среднем инфракрасном диапазоне. Подобное излучение от системы Плутон–Харон фиксировали и раньше: в 1997 году — инфракрасной обсерваторией ESA, в 2004 — телескопом «Спитцер», а в 2012 — обсерваторией «Гершель». Однако разрешения этих инструментов не хватало, чтобы определить источник излучения.

Благодаря 6,5-метровому зеркалу и прибору MIRI, JWST смог различить Плутон и Харон. В рамках исследования под руководством Танги Бертрана из Парижской обсерватории Чжан и его коллеги наконец зафиксировали инфракрасное излучение от долгое время неуловимой дымки.

«Мы называем «дымкой» слои твердых аэрозолей, взвешенных высоко в атмосфере, — пояснил Бертрану Space.com. — Они рассеивают свет, снижают видимость и образуют полупрозрачный слой».

Атмосфера Плутона состоит в основном из азота с примесью углекислого газа и углеводородов — метана, бензола, диацетилена и цианистого водорода. Она крайне разрежена: давление у поверхности составляет всего 13 микробар (для сравнения, на Земле — около 1 бара). Из-за слабой гравитации верхние слои атмосферы простираются далеко в космос, и молекулам нужно лишь небольшое усилие, чтобы покинуть планету.

«Значительная часть ультрафиолетового излучения Солнца поглощается верхними слоями атмосферы, что приводит к нагреву и утечке газов, — объяснил Бертрану. — Азот и метан играют ключевую роль в этом процессе».

Но как одна и та же дымка может одновременно нагревать и охлаждать атмосферу?

«Это зависит от свойств дымки — размера частиц, их формы и состава, — сказал Бертрану. — Мы исследуем этот вопрос с помощью современных микрофизических моделей».

Способность дымки влиять на температурный баланс означает, что она регулирует энергетические процессы в атмосфере Плутона, воздействуя на глобальные температуры, циркуляцию воздушных масс и даже на подобие климата. Этот «климат» определяется циклами сублимации и замерзания молекулярного азота, метана и угарного газа, большая часть которого поступает из ледника в регионе Спутник Планиция (известного также как «сердце Плутона»).

«На основе данных «Новых горизонтов» мы выяснили, что нагрев газов значительно превосходит их охлаждение, — рассказал Чжан. — Чтобы сохранить баланс, дымка должна компенсировать разницу. Однако пока неясно, сохраняется ли этот эффект в другие сезоны, ведь на Плутоне они крайне контрастны!»

Из-за вытянутой орбиты расстояние от Плутона до Солнца варьируется от меньшего, чем у Нептуна, до почти вдвое большего. Даже вдали от звезды это существенно влияет на количество получаемого тепла.

Связь с Титаном и ранней Землей

Дымка Плутона напоминает углеводородную дымку Титана, спутника Сатурна. Оба явления — результат фотохимических реакций под действием ультрафиолета. Более того, в атмосфере ранней Земли, до насыщения кислородом 2,4 млрд лет назад, мог существовать похожий, но более плотный углеводородный смог. Таким образом, изучение Плутона может пролить свет на процессы, происходившие на нашей планете в далеком прошлом.

Результаты исследования опубликованы 2 июня в журнале Nature Astronomy.