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令人惊异和困惑的冥王星 精选

已有 4027 次阅读 2017-5-20 09:39 |个人分类:科普|系统分类:科普集锦|关键词:冥王星 卡戎 太阳系 新视野号

此文受《科学画报》杂志之邀翻译,译自2015年7月25号刊Newscientist杂志。译文刊在2017年5月号《科学画报-新知版》。图片1、图3取自网络,图片2来自原文。

图1 斯普特尼克(Sputnik)平原与附近的冰山

作为太阳系外围的矮行星而言,冥王星就是一个怪物,因为它看上去就像不同地貌环境“缝合”在一起的世界。山脉与地球上的类似,有3千米高,只是由冻冰构成。逃逸气体在太阳风的作用下,就像彗星挥发的彗尾。像海卫一(特里同)冰面一样光滑的表面紧挨着像火山上高原似的破碎地带。

当上周美国航空航天局(NASA)“新视野”号探测器发回第一批冥王星及其卫星的高清照片后,其地貌奇观就令研究者大为惊叹。这颗矮行星不像我们曾经“造访”过的任何星体。冥王星最大的卫星——卡戎,也是如此。

这种惊奇已经让最有经验的冥王星研究专家变成了充满惊异的调查员,他们正为矮行星的这种古怪地貌特征进行编目,以试图找到相应解释。接下来几年,从“新视野”号传回的地貌图将被下载、分析研究,这项工作异常棘手。

在上周获得的数据中,最令人震惊的是冥王星和卡戎表面的光滑区域。在探测器抵达之前,研究人员期待看到一对布满环形山的世界,因为它们形成在太阳系诞生之初,应该被撞击得遍体鳞伤。计算环形山的数目是确定行星表面年代的一种方法,因为撞击产生的环形山数目会随着时间以已知的速度增加。现在我们知道冥王星和卡戎均有小行星撞击产生的疤痕。这种未被注意到的地貌从地质学的角度讲,至少对行星的时间尺度而言,它们新近很活跃。

上周的新闻发布会上,任务小组负责人艾伦·斯特恩说:“现在我们知道冥王星是一颗(诞生)45亿年后仍活跃的一颗小行星。”他现场展示了冥王星表面的第一张高分辨率照片,并说道:“我认为许多地球物理学家会对它产生兴趣。”

或许最令人费解的地质现象在一处叫“斯普特尼克平原”的地区,那里表面的冰原被切割成大约20千米宽的多边形巨块。美国国家航空航天局阿姆斯研究中心的地质学家杰夫·莫尔说:“当我第一次看到它的照片时,我便决定称其为‘难以解释’的地貌。”这种地表就像泥面收缩产生的破裂一样,或者说是冥王星内部的对流热融化了地表,就像一锅沸腾的粥。

这一机制造成可以产生足够的能量以消除形成的环形山。这种光滑的地表同样可以在海卫一上看到,直到上周后者才被认为是像冥王星的另一个小冰体。不过海王星的引力通过一种叫潮汐热作用的过程加热并重塑了海卫一。

同样的过程并未发生在冥王星和卡戎之间,因为它们发生了“潮汐锁定”,即彼此永远以同一面相对(译注:就像地球和月球)。马萨诸塞惠顿学院的地质学家杰弗里·柯林斯说:“我们知道那一过程已经结束了,不过问题是,到底是何时结束的?”在“新视野”号之前,一直认为在距今44-45亿年前原冥王星和原卡戎之间有过一次碰撞,产生了我们现在看到的双星系统。

假如碰撞晚些发生的话,可以让两颗小行星保持余能,或许能够成为太阳系的成员。

团队地质学家说,冥王星内部也可以随着放射性元素的缓慢衰变而变热,这些元素是太阳系形成时留下的。另一种可能是,被覆盖海洋的逐渐冰冻帮助矮行星保留了最后一点从其诞生时产生的热量。更多可靠的结论还有待更多的数据支持。

锯齿状山脉星罗棋布地分布在冥王星表面的高清照片上,它们被认为由冰水组成,同时预示了其下无法解释的地质活动。亚利桑那州洛厄尔天文台的团队成员威尔·格伦迪说:“山脉形成的传统方式是地质作用的推挤而成,若是撕裂则会形成火山。但是冥王星的地貌完全不同。”

柯林斯认为,这些山脉可以阻止一些地质现象。在他看来,它们有些像地球冰川上伸出的石山顶峰,即冰原岛峰。冥王星上的冰原岛峰可能是伸出其他冰层的水冰,也许是冰冻甲烷,它们从冥王星的大气层中像雪一样落下来覆盖住了环形山。很难说究竟是什么,因为我们对于不同的冰在非常低的温度下如何相互作用了解不多。

不仅仅是冥王星的地质情况蕴含了令人惊奇的活力。当“新视野”号探测器离开冥王星五天后,它发现了逃离大气层的被电离的氮气分子,远比研究团队预想得要多。最近的研究结果显示,这些气体在太阳风的带电离子流中被吹开,好像成了冥王星身后的“尾巴”。这证实了一个长期的猜疑,即冥王星正经历着一个过程,这一过程很久之前在其他行星也发生过。这便给我们提供了一个回溯过去的窗口。

过去我们从未在这种规模上研究逃逸气体,因为这一过程已经在别的行星上或多或少完成了。“新视野”号目睹了它实时发生的情形,无论是检测到电离氮的光还是用携带的传感器直接捕获粒子。

地球上最早的大气层,是由氢和氦组成的毒气,很大程度上也是以这种方式逃逸。它们是唯一能够冲破地球强大引力的气体分子。冥王星上的氮气较重,并且是组成当前地球和冥王星大气层的最主要气体,也可以逃逸。

同样的情形也发生在早期火星上,液态水蒸发到大气层外,使火星干枯下来。“探测冥王星便可以验证我们有关火星上这种特殊逃逸的理论”,科罗拉多大学博尔德分校的团队成员弗兰·巴格纳尔说。

巴格纳尔说,迄今为止,每小时大约有500吨的氮气逃逸冥王星的大气层。计算出准确的逃逸速度是研究的重中之重。它将帮助团队与太阳系过去类似行为的理论作对比分析。“新视野”号发现大气层比预期的薄,气体可能来自矮行星自身。

团队地质学家说,这意味着氮气逃逸冥王星表面就像“旅行者”号探测器在海卫一看到的一样。(照片中)黑状物旁边的污点可能是岩浆柱的间接证据,尽管研究团队认为这些特征看上去更像条状纹理,那里风速可达到每秒数米,吹开了表面的障碍物。

“新视野”号拍摄的照片说明了一颗快速收缩的冥王星能够产生这些岩浆柱,它们被遥远的日光所照亮。原因可能与地热有关,过去认为是地热形成了冥王星上的山脉并使其地表变得光滑。或者说,一层厚厚覆盖冥王星表面的氮冰可以转化成气体并漂浮到大气层。

对冥王星系统而言,还有很多需要去了解。它最大的卫星——卡戎,其地貌种类远比研究团队想象得丰富。海德拉(冥卫三)是四个较小卫星之一,表面就像花生壳一样粗糙,很可能覆盖着脏的水冰。我们也短暂留意了另一颗卫星——冥卫二(尼克斯),在未来数月,我们还将看到最终剩余的两颗(请读:“新视野”号下一步去哪?)。

随着数据不断传回,这些矮行星世界终将一览无余。行星科学家会把所有毫不相关的部分联系为一个整体。研究人员在面对困惑的同时也充满了好奇,有关冥王星的发现显示了它完全像我们探测过的其他行星一样复杂。斯特恩说:“我认为(直到现在)太阳系保留了它最棒的形态。”

附:“新视野”号下一步去哪?

征途还未结束。“新视野”号团队希望在2018或2019年这颗探测器能够造访别的柯伊伯带天体。所谓柯伊伯带天体是指处在太阳系边缘的冰冻小行星,其中冥王星是最大的。

哈勃望远镜的一项搜寻已确认了两个目标。“新视野”号探测器的燃料仅够其造访其一,今年(2015年)晚些时候将会做出决定。研究团队也说服了航空航天局解囊以扩展该研究计划。

造访别的“家族成员”的一个理由是,这将有助于理解本周获得的数据。“新视野”号只是短暂地掠过冥王星的四颗小卫星,不过它们和柯伊伯带目标天体的大小差不多。

问题是,冥王星的卫星是否像柯伊伯带的其他天体一样,是太阳系诞生留下的原始样本呢?这些卫星很可能是产生了冥王星和卡戎的那次碰撞飞出去的“弹片”。若是如此,它们的表面将会完全重塑,绝不会像其他柯伊伯带天体。“新视野”号的探测是唯一获得真相的办法。

图2:从冰山到原始平原(下图为原文部分插图)

    图3 冥王星与其卫星卡戎




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