När rymdfarkosten New Horizons passerade Pluto 2015, en av de många fascinerande egenskaperna som dess bilder avslöjade var att denna lilla, kylig värld i det avlägsna solsystemet har en disig atmosfär. Nu, nya data hjälper till att förklara hur Plutos dis bildas från solens svaga ljus 3,7 miljarder miles bort när den rör sig genom en ovanlig omloppsbana.

Fjärrobservationer av Pluto med NASA:s teleskop på ett flygplan, Stratosfärobservatoriet för infraröd astronomi, eller SOFIA, visa att det tunna diset som omsluter Pluto är gjord av mycket små partiklar som stannar kvar i atmosfären under långa perioder istället för att omedelbart falla till ytan. SOFIA:s data klargör att dessa dispartiklar aktivt fylls på – en upptäckt som reviderar förutsägelser om ödet för Plutos atmosfär när den rör sig in i ännu kallare områden i rymden på sin 248-års bana runt solen. Resultaten publiceras i den vetenskapliga tidskriften Icarus.

"Pluto är ett mystiskt föremål som ständigt överraskar oss, " sa Michael Person, huvudförfattaren till tidningen och chef för Massachusetts Institute of Technologys Wallace Astrophysical Observatory. "Det hade funnits antydningar i tidigare fjärrobservationer om att det kan finnas dis, men det fanns inga starka bevis för att det verkligen existerade förrän uppgifterna kom från SOFIA. Nu ifrågasätter vi om Plutos atmosfär kommer att kollapsa under de kommande åren - den kan vara mer motståndskraftig än vi trodde."

SOFIA studerade Pluto bara två veckor före New Horizons förbiflygning i juli 2015. Den modifierade Boeing 747 flög över Stilla havet och riktade sitt nästan 9-fots teleskop mot Pluto under en ockultation, en förmörkelseliknande händelse där Pluto kastade en svag skugga på jordens yta när den passerade framför en avlägsen stjärna.

SOFIA observerade mittskikten av Plutos atmosfär i det infraröda och synliga ljusets våglängder, och strax efter, rymdfarkosten New Horizons undersökte sina övre och nedre skikt med hjälp av radiovågor och ultraviolett ljus. Dessa kombinerade observationer, tagna så nära i tiden, har gett den mest kompletta bilden hittills av Plutos atmosfär.

Blå, Disig atmosfär

Skapat när ytis förångas under solens avlägsna ljus, Plutos atmosfär består till största delen av kvävgas, tillsammans med små mängder metan och kolmonoxid. Dispartiklar bildas högt upp i atmosfären, mer än 20 miles över ytan, eftersom metan och andra gaser reagerar på solljus, innan det sakta regnar ner till den isiga ytan.

New Horizons hittade bevis på dessa partiklar när det skickade tillbaka bilder som visade en blåtonad dis till Plutos atmosfär. Nu, SOFIAs data fyller i ännu fler detaljer genom att upptäcka att partiklarna är extremt små, bara 0,06-0,10 mikron tjock, eller ca 1, 000 gånger mindre än bredden på ett människohår. På grund av deras ringa storlek, de sprider blått ljus mer än andra färger när de driver mot ytan, skapar den blå nyansen.

Med dessa nya insikter, forskare omvärderar sina förutsägelser om ödet för Plutos atmosfär. Många prognoser visade att när dvärgplaneterna flyttade bort från solen, mindre ytis skulle förångas – skapa färre atmosfäriska gaser medan förlusterna till rymden fortsatte – vilket så småningom skulle leda till atmosfärisk kollaps. Men istället för att kollapsa, atmosfären verkar förändras på ett kortare cykliskt mönster.

Genom att tillämpa vad de lärde sig från SOFIA för att analysera tidigare observationer, inklusive från SOFIAs föregångare Kuiper Airborne Observatory, visar att diset tjocknar och sedan bleknar i en cykel som varar bara några år. Detta indikerar att de små partiklarna skapas relativt snabbt. Forskarna föreslår att Plutos ovanliga bana driver förändringarna i diset och därför kan vara viktigare för att reglera dess atmosfär än dess avstånd från solen.

Pluto cirklar runt solen i en lång, oval form, kallas en elliptisk bana, och i en vinkel, kallas en lutande bana. Den roterar också på sidan. Detta gör att vissa områden på dvärgplaneten utsätts för mer solljus på olika punkter i omloppsbanan. När isrika områden utsätts för solljus, atmosfären kan expandera och skapa fler dispartiklar, men eftersom dessa områden får mindre solljus, det kan krympa och bli tydligare. Denna cykel har fortsatt även när Plutos avstånd från solen har ökat, även om det inte är klart om detta mönster kommer att fortsätta.

"Det finns fortfarande mycket vi inte förstår, men vi är nu tvungna att ompröva tidigare förutsägelser, " sa Person. "Plutos atmosfär kan kollapsa långsammare än tidigare förutspått, eller kanske inte alls. Vi måste fortsätta övervaka det för att ta reda på det."

Jagar Plutos skugga

SOFIA var unikt positionerad för att studera Pluto på långt håll genom att dra fördel av ett sällsynt ögonblick när Pluto passerade framför en avlägsen stjärna, kastar en svag skugga över jordens yta. Tillfälligt upplyst av stjärnan, Plutos atmosfär kunde analyseras.

Reser vid 53, 000 miles per timme, Plutos skugga förväntades dyka upp under två minuter över Stilla havet nära Nya Zeeland. SOFIA slog ut sin kurs för att avlyssna, men två timmar före ockultationen placerade en uppdaterad förutsägelse skuggan 200 mil norrut.

"Att fånga den skuggan krävde lite förvirring. SOFIA har fördelen av att vara mobil, men den reviderade färdplanen måste godkännas av flygledningen, sa William Reach, SOFIAs biträdande direktör för vetenskapsverksamhet. "Det var några spända ögonblick, men teamet arbetade tillsammans, och vi fick tillstånd. Vi nådde Plutos skugga vid exakt rätt tidpunkt och var väldigt glada över att ha klarat det!"

Fjärrobservationer som dessa tillåter forskare att övervaka planetariska kroppar mellan rymdfarkoster, som ofta kan skiljas åt med många år. Överenskommelsen mellan data som samlats in på distans av SOFIA och från New Horizons nära flygning stöder att ockultationsobservationer från jorden kan ge högkvalitativa data mellan rymdfarkostuppdrag.