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2015年,新视野航天器飞跃了遥远的世界,科学家们由此了解到10项冥王星系统最酷,最新奇,最不可思议的发现。

美国宇航局的新视野飞船拍摄于28万英里(45万公里)外的增色的冥王星全球视图。这张图展示了冥王星著名的心脏——一个叫做汤博区的区域。最近有研究表明,冥王星冰冷的心脏使吹过这颗矮行星表面。图片由美国宇航局/约翰霍普金斯APL/西南研究所提供)

美国宇航局最初在2020年7月14日发表这篇文章。2015年,7月14日,在经过近十年、超过30亿英里的航行后,美国宇航局的新视野飞船在距离冥王星不超过7800英里(12550公里)飞行。感谢这个钢琴大小的探测器,我们第一次可以看到这个遥远世界壮观的,多彩的细节。

新视野飞行器和冥王星的邂逅,以及其对冥王星五大卫星中最大的冥卫一卫星的近距离观察,向人们揭示了一个充满壮丽山河地质的冰冷世界,如巍峨的群山、广袤的冰原、深洞、悬崖、山谷和在太阳系中其他地方看不到的地貌。

自那次突破性飞跃的五年里,几乎每个关于“冥王星是一个无生命的冰冻星球”的猜想都已经被抛诸脑后了。归功于新视野飞行器提供的数据,以下10条是科学家们自2015年了解到的关于冥王星体系最炫酷,最奇异以及最意想不到的发现。

该关于冥王星和它最大卫星,冥卫一的自然彩色图是由美国宇航局新视野飞船在2015年7月13至14日之间拍摄的图像合成的。

在我们太阳系的所有卫星和行星组合体系中,冥王星和冥卫一是体积最相近的一组。冥卫一的体积差不多是冥王星的一半大。由于冥卫一相对于冥王星来说过大,他们俩有时会被认作是一对双矮行星。(图源:美国宇航局,约翰霍普金斯应用物理实验室,西北研究所)

1. 冥王星有颗“心”,驱动着这颗行星的活动

冥王星的心脏——“新视野”号在接近冥王星时观察到的标志性特征之一,并在“新视野”号飞越期间以高分辨率拍摄到——是一个巨大的、百万平方英里的氮冰川。心脏的左心室——称为斯普特尼克平原(Sputnik Planitia)——几乎迫使这颗矮行星转向,让该盆地现在几乎正对着冥王星的卫星冥卫一(Charon)。

詹姆斯·塔特尔·基恩(James Tuttle Keane)是一名行星科学家,也是加州帕萨迪纳喷气推进实验室的新视野小组成员。他说:这个过程被称为“真极漂移”——是行星体改变其自转轴时的过程,通常这一过程是大型地质作用的结果。

斯普特尼克平原处于目前位置并不是个意外。它是个寒境,氮冰在这里加速堆积成一个厚度至少2.5英里(4公里)的冰床。此大量物质的持续不稳定,加上随着冥卫一绕冥王星运动产生的潮汐性推拉,使这个矮行星倾斜导致该盆地与冥王星和冥卫一之间的潮汐轴更紧密的对齐了。基恩说:这项活动也很可能是破裂冥王星表面和在其地壳制造许多曲折蔓布于冥王星大部分地区的严重故障的原因。

这个盆地被认为已在它目前所处位置的西北方,离冥王星的北极圈更近处进一步发展成形。并且冰块应该会继续在盆地加速堆积,冥王星将继续调整它自己。

冥王星心脏的西方跳动——斯普特尼克平原区域内冥王星表面及亚表面特征剖面图。新视野数据显示这片区域下可能存在水海洋。图片来自:詹姆斯 塔特尔 基恩/NASA

2.冥王星表面下是否藏着液态水海洋?

聚集起来的冰可能不是使得斯普特尼克平原重新定位的唯一因素。来自该盆地的新视野号数据显示,在它下面可能有更重质量的东西发挥了作用,科学家怀疑更重质量的东西是一个水构成的海洋。基恩说:

那是一个惊人的发现。这将使冥王星变成一个难以捉摸的“海洋世界”,就像木卫二、土卫二和土卫六一样。

其他几条证据,包括在新视野号的图像中看到的构造结构,也指向冥王星地壳下面存在的海洋。

斯普特尼克平原很可能是40亿年前由一个直径30到60英里(50到100公里)的柯伊伯带天体撞击而形成的,它在冥王星的冰壳上切下了一大块,只在盆地的底部留下了一个薄而脆弱的冰层。表层下的海洋很可能通过挤压脆弱的地壳从底部侵入盆地,

基于该行星图像的最新模型表明,这种液态海洋可能是在冥王星快速、猛烈的形成过程中产生的。

 

3. 冥王星的构造活动可能依旧活跃

巨大的断层绵延数百英里,在覆盖冥王星表面的冰壳上切割了约2.5英里。然而,科学家解释冥王星有这些裂缝的唯一原因是其表层下海洋在逐渐冻结。

水在结冰时膨胀,在冰壳下,膨胀会推动表面并使其破裂,就像你冰箱里的冰块一样。但是如果温度足够低,压力足够高,水晶体会开始形成更紧密的晶体结构,冰会再次收缩。

使用新视野号数据的模型显示,冥王星具备这种使冰收缩的条件,但它没有任何已知的地质特征表明收缩已经发生。对科学家来说,这意味着表层下的海洋仍然处于结冰的过程中,并有可能在表层形成新的断层。基恩说:

如果冥王星是一个活跃的海洋世界,这就意味着柯伊伯带的矮行星中可能遍布其他海洋世界,这极大地增加了我们太阳系中潜在的宜居地的数量。

但是,尽管今天冥王星的液态海洋可能仍然存在,科学家们怀疑在大多数地方(虽然不是在斯普特尼克平原下面)它被近200英里(320公里)的冰隔离了。这意味着它今天可能还没有接触到表面;但在过去,它可能通过被称为低温火山的火山活动渗出。

4. 曾经活跃的火山也许还继续活跃着

但也许不是你想象的那种“火山爆发”。

在地球上,熔岩喷吐、流涎、气泡,就像在夏威夷一样。但在冥王星上,有许多迹象表明,一种冰冷的、泥状的低温熔岩曾在不同时期在表面涌流。

科学家称之为“低温火山”。

莱特蒙斯(Wright Mons)和皮卡蒙斯(Piccard Mons)与太阳系中发现的任何其他火山都不一样,这两座位于斯普特尼克平原南部的大山,每座都有一个很深的位于中心的坑,科学家们认为这很可能是低温火山的火山口。

斯普特尼克平原的西面是Viking Terra,那里有很长的裂缝和地堑,那里也有证据表明表面曾经有流动的低温熔岩。

在斯普特尼克平原更远的西部是Virgil Fossae地区,不超过10亿年前(甚至更近的时间)富含氨的低温熔岩似乎爆发到地表上、给几千平方公里的区域覆盖上红色的有机分子。

你所看到的是冥王星著名的心脏图片。这是心脏右叶一个被叫做斯普特尼克平原的区域的一个特写镜头。这个图像跨越了大约50英里(80千米),展现了冥王星冰面上数以千计的坑洞以及更大的环流图案。科学家们怀疑这些“岛屿”是漂浮的水冰山,或者可能是冰山尖。图源美国宇航局/Johns Hopkins APL/美国西南研究所。

5. 冰河几十亿年的雕刻,至今仍未停工

冥王星加入了地球、火星和少数拥有活跃流动冰川的卫星的行列。

斯普特尼克平原的东部是许多(大部分)氮冰冰川,它们从坑洼的高地流向盆地,在经过的过程中切割出山谷。科学家们怀疑,氮从冰升华为蒸汽,飘在这颗矮行星周围,然后又在表面冻结,这种季节性和“超级季节性”的氮冰循环是冰川冰的来源。

但这些冰川与地球上的水冻结形成的冰川不同。首先,它们的内部融化都不会落向冰川的底部。液氮会上升到顶部,因为液氮的密度比固体氮小。当液氮出现在冰川顶部时,甚至可能以喷气或间歇泉的形式喷发。

此外,冥王星表面的一些地方是由水冻结成的冰组成的,其密度比氮冰略低。当冥王星的冰川雕刻其表面时,一些水冻结成的“岩石”会沿冰川升起,像冰山一样漂浮。这样的冰山在“新视野”号拍摄的几张斯普特尼克平原的照片中可以看到,冥王星已知的最大的冰川,其直径超过了620英里(1000公里),大约是俄克拉荷马州和得克萨斯州大小的总和。

NASA新视野项目的科学家们利用最先进的计算机模拟技术呈现出了冥王星斯普特尼克平原表面的“冰细胞”。从地质学来看,这些“细胞”还“年轻”,并且在对流(就是在一锅沸水里见到的那种现象)的作用下翻滚。图片来源:NASA/ 约翰·霍普金斯应用物理实验室/美国西南研究院。

6. 长着“细胞”的巨大冰川

如果将斯普特尼克平原表面放大近距离观察,你会发现一种在太阳系中独一无二的现象:散布在冰上的奇怪多边形图案。这些图案分别有至少6英里(10公里)宽,在冰川表面翻滚不安,连成一片。

这种图案看起来像显微镜下的细胞,它们却不是细胞,而是冥王星内部热量试图从冰川下逃出来的证据。(这些热量)造出上涌的气泡和下沉的氮冰,好像热的熔岩灯。

热冰上升进入细胞中部,冷冰下沉聚积细胞边缘。这种现象在地球的冰川内,甚至是在我们已知的太阳系任何地方都绝无仅有。

白色区域便是冥王星之心。它是一片广袤的氮冰,每日蒸发、凝结循环往复,为行星各处带来“氮风”。图片来源:NASA。

7. 控制着冥王星大气与气候的“跳动之心”

尽管寒冷的冥王星与地球相距甚远,每日有节奏地鼓动着的“冥王星之心”(Tombaugh Regio)却如同格陵兰岛及南极洲控制着地球气候般,异曲同工的控制着冥王星的气候。

冥王星之心中的氮冰每日都要历经一个白天从冰升华为蒸汽,寒冷的夜间凝结回地表的循环。每一个循环都如同一拍心跳,操纵着最高风速能达32千米每小时的氮气风在行星循环。

来自NASA加利福尼亚阿姆斯研究中心的行星科学家Tanguy Bertrand说:“冥王星之心实际上控制着冥王星的大气循环”。 据Bertrand使用“新视野”(New Horizons) 数据创建的精密天气预报模型显示:当冰层在冰冷的“冥王星之心”北部升华并在南部结冰时,它们驱动了奇怪地与冥王星东旋相反的西向凌冽大风。

Bertrand还说到:“位于冥王星之心西部边缘的史波尼克高原上的风条纹正是这些向西的风与冥王星之心边缘崎岖的地形相撞后留下的。考虑到冥王星的大气层仅为地球的1/100,000,这算是一个了不起的发现。同时,这也为其他一些令人惊讶的类沙漠特征做出了合理的解释。”

据史波尼克冰川的特写显示,这些位于西北边缘的水冰山可能提供了粒子,而冥王星的氮气“心脏”则提供了风。图片来源:NASA。

8. 冥王星也有沙丘

这不是撒哈拉沙漠,也不是戈壁滩,这里是冥王星。在斯普特尼克平原西部边缘,数以百计的沙丘延伸出至少45英里(75千米),科学家们怀疑它们形成于近期。

沙丘需要微小粒子以及持续的,强劲的风来吹升沙粒或者其他东西。尽管冥王星引力微弱,大气稀薄,极度寒冷并且整个表面由冰构成,但显然,冥王星具备了(或者说依然可能具有)形成沙丘所需的所有条件。

在西北部斯普特尼克冰川边缘的水冰山可能提供了这些微粒,而冥王星跳动的氮“心”提供了风。不同于地球上有时被大风吹的石英,玄武岩和石膏砂,科学家们怀疑冥王星上的沙丘是被速度不高于20英里每小时(32千米每小时)的风带来的沙子尺寸的甲烷冰微粒,虽然构成了沙丘规模,但过去的风可能更加强烈,大气也更加浓厚。

冥王星和冥卫一被击打出大型陨石坑,但是几乎没有小型的,这或许意味着比预计中更少的小型柯伊伯带天体。图源美国宇航局。

9. 没有“小坑”,却有大学问

行星表面发现陨石坑是太空常态;但若说到冥王星系统有什么不同的话,就是冥王星和卡龙都没有很多小陨石坑——而是几乎都很大。

凯尔西辛格(Kelsi Singer)是新视野项目的代理科学家与合作研究者,来自科罗拉多州博尔德市(Boulder, Colorado)的西南研究所。她说:这让我们很惊讶,因为这里的小陨石坑数量比我们预想得更少,这也就意味着柯伊伯带(Kuiper Belt)的小天体比我们预期的更少。

对新视野号传回的陨石坑图像的分析表明,几乎没有直径小于1英里的物体撞击过这里;因为科学家们坚信构造活动不会优先消除这些小陨石坑的表面,这就表明柯伊伯带很可能没有极小天体的存在。

辛格说:这些结果给我们提供了太阳系如何形成的线索,因为这告诉了我们关于巨大星体的组成部分的数据,如冥王星,甚至可能是地球。

冥王星最大卫星,冥卫一的色彩增强图。图像颜色经过处理从而突出卫星表面性质的变化;最引人注目的是微红的北部(顶端)极地区域。图源美国宇航局/ Johns Hopkins APL/美国西南研究所。

10. 冥卫一的过去,能否揭示其他冰封世界的奥秘?

“新视野”号还捕捉到了一些冥卫一的图像,这些图像向人们展示了冥卫一的某些惊人地貌。

在“新视野”号拍摄到的高清图片中,冥卫一的某一面显示出了两块截然不同的地势:一块是平原,向南延伸,一望无际,被官方命名为Vulcan Planitia,其面积至少与美国加州相当;另一块崎岖的地势被人们命名为Oz Terra,向北延伸至冥卫一的北极。两者似乎都是由冥卫一地壳下的古老海洋(你猜对了! )冻结和膨胀形成的。

向北方的适度扩张造就了Oz Terra多岩石及多山的地势,与此同时向南方的扩张促使古海洋由漏孔,裂缝以及一些像“冰熔岩”等的出口处渗出,溢满它的表层。事实上,Vulcan Planitia被认为曾是冥卫一早期历史上覆盖整片区域的巨大冷流供应。

相似的特征也存在于一些分布在太阳系各处的冰卫星上,其中包括海王星的巨大卫星Triton,土卫Tethys,Dione和Enceladus,以及天王星的卫星Miranda和Ariel。并且多亏了来自新视野的冥卫一精细图,冥卫一的过往模型可能成为理解其他冰封世界的火山和地质活动的塔石碑。

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