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冥王星何异之有——五大新研究揭开庐山真面目

图解:冥王星剪影。图源:NASA/JHUAPL/SWRI

2015年7月14日,数百万人屏息注视着一架由他们自己制造的钢琴大小的宇宙飞船驶近30亿英里外的一块冰冷的岩石。通过这架“新视野”号的眼睛,我们第一次看到了冥王星,为我们看到的一切大吃一惊。然而,随着几个月的时间过去,几篇充满干货的科学论文发表出来,很显而易见的是,我们仅仅触及了这个微小世界复杂性的表面。

图解:新视野号拍摄冥王星与冥卫一。图源:NASA/JHUAPL/SWRI

通过“新视野”号,我们看到了高耸的冰山,流动的氮气雕刻的峡谷。一座座冰山漂浮在各色各样的冰原上,横跨全球的冰海。天空捕捉了光线并将其散射,形成了许多复杂的层次(其天空已被证实是蓝色的)。冥王星周围的小卫星像陀螺一样疯狂旋转。同时一颗被称为卡戎的卫星与冥王星成对并行。这个系统比行星科学家们想象中能在太阳系黑暗的外围发现的任何系统都要复杂和动态得多。

发表在《科学》杂志上的五项新研究开始讲述冥王星及其奇怪的小卫星家族的故事。然而,尽管这些文件中包含的事实、数字和图像令人印象深刻,但我们对它们的了解仍然非常有限。正如我在写这篇文章时采访的6位行星科学家告诉我的,我们仍然需要了解到底是什么让这个宇宙奇境运转起来的。

图源:NASA/JHUAPL/SWRI

简而言之,我们已知的有以下这些。冥王星是一颗很小的行星,其直径只有我们月球的70%,它被卡戎(Charon)的引力包围着,这颗卫星的大小是它的一半,质量是它的八分之一。冥王星有一个巨大的岩石内核,其元素组成与地球相似。地核被一层水冻冰块包裹,水冻冰块又被一层包括氮气、甲烷和一氧化碳在内的更易挥发的冰覆盖。从内核地狱般的严寒到冥王星绚丽表面的温度变化,这三种易挥发的冰都在升华、沉淀,并流经冥王星的表面。其结果是形成了令人惊讶的景观多样性,从形状各异的平原到古老崎岖的火山口,再到高耸的山脉,甚至可能形成冰火山。

“最令人惊讶的是它的地质多样性。”新视野号地质物理成像团队的负责人、描述冥王星地质论文的第一作者杰夫·摩尔在天文在线上这样说,“我认为最大的收获是冥王星在一切可能的方面都超出了我们的想象。”

最有趣和神秘的地质特征之一是斯普特尼克平原,这是一个1000公里宽、没有陨石坑的冰川盆地,位于汤博地区的西叶,也就是冥王星的“心脏”。以其块状、多边形结构而著称的斯普特尼克平原似乎正在积极地进化,正如洛厄尔天文台的威尔·格伦迪所说:“它正在慢慢地倾覆,就像一锅隆隆作响的燕麦粥。”“这种冰对流背后的机制尚不清楚,但这可能是由于冥王星内部的热量以及顶部的氮冰和下方的水冻冰块之间的密度差异共同作用的结果。”

斯普特尼克平原部分的注释视图。图源:NASA/JHUAPL/SWRI

“这比几年前任何人想象的都要混乱得多。”格兰迪说。他是一篇新论文的主要作者,这篇论文使用新视野号的拉尔夫仪器绘制了横跨冥王星和卡戎表面冰的颜色和组成。“在地球上,我们有水,水可以蒸发,凝结,形成雪等等。我们不知道当有多个挥发性物质的时候会发生什么,而冥王星在向我们展示。”

当我们上升到冥王星的大气层时,情况也随之变得很混乱,那是一个大约1500公里高的由氮气和甲烷组成的圆形罩。由于某些复杂的光化学作用,以甲烷被紫外线照射为开端,冥王星的大气中也含有少量较重的有机化合物,包括乙炔、乙烯和乙烷。这些分子最终形成一种类似于煤烟的微红颗粒,它们被称为索林斯。当索林斯被昏暗的阳光照射时,就会产生大量烟雾。

美国西南研究所的行星科学家、描述冥王星大气的一篇新论文的主要作者兰迪·格莱斯顿告诉天文在线:“这些迷雾令人震惊。”“一开始,我们根本不知道是什么造成了这些迷雾。”

的确,在冥王星大气的头200到300公里处,有几十个明显的雾霾层,它们绝对令人叹为观止。但它们究竟是如何形成的呢?在他的论文中,格莱斯顿和他的合著者提出,这些烟雾是由引力波产生的——具体来说不是引力波,而是冥王星大气中的浮力波,它使索林斯粒子悬浮在不同的水平层上。我们需要更多的研究来验证这个假设。

新视野号低空探查冥王星的另一个大惊喜是:上层大气比我们预期的要冷得多,密度也大得多。事实上,在非常高的海拔地区,天气变得非常寒冷,氮气开始沉降,在太空边缘仅留下一层薄薄的甲烷。

新视野号在飞越冥王星几分钟后回望太阳,拍下了这张令人震惊的照片。图源:NASA/JHUAPL/SWRI

“当我们在高层大气中看到如此少的氮时,我们感到很惊讶,”格莱斯顿说。“这对大气向太空的流失有重大影响——大约是我们预期的五分之一。”

冥王星的大气并不像我们最初认为的那样容易泄漏,这一发现也在对太空环境的观察中得到了证实。在太空环境中,逃逸的冥王星碎片与来自太阳的带电粒子流相互作用。大气与空间物理实验室的弗兰·巴格纳尔(Fran Bagenal)是一篇描述冥王星空间环境的论文的第一作者,他告诉天文在线:“我们原以为会有物质从大气中喷溅出来,这意味着大气与太阳风相互作用的场地非常大。”“但事实相反,这个相互作用的区域非常小。”

冥王星的太空环境也非常干净。巴格纳尔说:“我们认为,四颗小卫星加上卡戎,会有很多太空碎片。”但是新视野号的尘埃计数器在它快速通过星系的过程中发现了很少的游离粒子。“我认为这告诉我们的是,任何由卫星形成所产生的尘埃都已经消散,”巴格纳尔补充说。

这反过来又告诉我们,创造冥王星、卡戎和它们的四颗小卫星的史诗般的撞击发生在很久很久以前。为了更多地了解这段精彩绝伦的历史,在《科学》杂志刊登的一篇论文对这些卫星进行了更详细的研究。

Nix、Styx、Kerberos和Hydra是围绕冥王星—卡戎双星系统运行的小(直径50公里以上)且闪亮的卫星。“这些卫星有相当数量的陨石坑,这将它们的形成推到了至少40亿年前,”比尔·麦金农(Bill McKinnon)告诉天文在线。虽然卫星的组成还没有确定,但它们足够闪亮,我们可以确定它们是由冰构成的。它们可能是冥王星外壳的一部分,在大碰撞中被撕裂形成。

可能没什么更好听的说法来描述:冥王星的小卫星行动是完全不正常的。它们的旋转速度比它们本应旋转的速度快得多,而且旋转的角度也很疯狂,就像摇动一个绑在旋转装置上的骰子一样。我们不知道这是什么原因造成的。

“谁知道这里发生了什么,”麦金农说。他补充道,虽然我们从未见过类似的情况,但有可能在我们太阳系中,一些围绕较大行星运行的卫星也同样混乱。“对于那些喜欢研究动力学的人来说,这只是大自然多样性的又一个例子。”

发表的五篇论文都给出了我们的观察结果,我在这里对它们进行了简要介绍。它们是对几个月的数据进行了令人印象深刻的综合,这些数据是从“新地平线”通过深空网络下行连接而来的。令人难以置信的是,从冥王星飞掠而过所得的一半以上的数据仍然在一艘宇宙飞船上,它航行在柯伊伯带渐行渐远,因此在接下来的几个月里,我们无法拿回所有的数据。未来的数据不会对冥王星的故事有太大的改变,但它将有助于我们充实细节。

蓝色的天空在冥王星的左边。图片:NASA/JHUAPL/SWRI

新视野号科学团队的下一个重要目标是超越“是什么”,并开始问“为什么”。我在一开始就说过,尽管我们对冥王星做了很多观察,但我们对它知之甚少。冥王星的山脉、荒地和山谷究竟是如何形成的?它们的演化速度有多快?是什么过程重塑了冥王星的表面——这仅仅是阳光使冰升华的问题,还是来自内部的热量起了作用?为什么冥王星能够如此坚定地保留住它的大气层?大气层是如何与地面相互作用的?冥王星和冥卫一在过去是什么样子,它们是如何变化的?

我们现在才刚刚开始回答这些问题,不过没关系。事实上,这比仅仅停留在“OK”更好。这意味着最好的发现还在我们前方。

原文链接:http://www.toutiao.com/a6829604700636054024

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