冥王星地壳下面很可能存在一个巨大的液态水海洋!约翰·霍普金斯应用物理实验室(APL)公布新视野”号探测器10大惊人发现!

2020-07-22 10:06:05 207
五年前,由约翰·霍普金斯应用物理实验室(APL)设计、建造和操作的NASA“新视野”号探测器创造了历史。经过近10年和30多亿英里的航行,这艘无畏的、钢琴大小的探测器飞到了距离冥王星7800英里的范围内。有史以来第一次,我们看到了这个遥远世界表面壮观的、色彩斑斓的细节。这次相遇还包括对冥王星五颗卫星中最大的一颗,卡龙(Charon)的详细观察,为50多年前美国宇航局(NASA)的“水手2号”(Mariner 2)任务开始的对这两颗行星的初步勘察画上了句号。它揭示了一个充满壮丽景观和地质地貌的冰天雪地的世界——高耸的山脉、巨大的冰原、坑、陡坡、山谷和在太阳系其他地方看不到的地形。以下是自2015年以来,通过“新视野”科学家们获得的数据,了解到的关于冥王星系统最酷、最奇怪、最出人意料的10项发现。

五年前,由约翰·霍普金斯应用物理实验室(APL)设计、建造和操作的NASA“新视野”号探测器创造了历史。


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经过近10年和30多亿英里的航行,这艘无畏的、钢琴大小的探测器飞到了距离冥王星7800英里的范围内。有史以来第一次,我们看到了这个遥远世界表面壮观的、色彩斑斓的细节。


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这次相遇还包括对冥王星五颗卫星中最大的一颗,命名为卡龙(Charon)的详细观察,为50多年前美国宇航局(NASA)的“水手2号”(Mariner 2)任务开始的对这两颗行星的初步勘察画上了句号。它揭示了一个充满壮丽景观和地质地貌的冰天雪地的世界——高耸的山脉、巨大的冰原、坑、陡坡、山谷和在太阳系其他地方看不到的地形


而这仅仅是开始。


“新视野号将冥王星从一个模糊的、望远镜观察的小点变成了一个具有惊人的多样性和令人惊讶的、复杂的生命世界,”APL的新视野号项目科学家哈尔·韦弗说。“这次与冥王星的相遇是一次最好的探索,是对新视野团队的远见和坚持不懈的致敬。”


在那次开创性的飞越之后的五年里,几乎所有关于冥王星可能是一个惰性的冰球的猜想都被抛出窗外或颠倒过来。


“我很清楚,太阳系把最好的留在了最后!” 来自科罗拉多州博尔德市西南研究所的新视野号首席研究员艾伦·斯特恩说。“在我们的太阳系边缘,我们不可能探索到比这更迷人、更有科学意义的行星了,“新视野”号团队花了15年时间来计划和执行这次飞越,冥王星给了我们很大的回报。”


科学家们现在知道,尽管冥王星处于寒冷的环境中,但它是一个令人兴奋的、活跃的、具有科学价值的世界。令人难以置信的是,它甚至掌握了一些关键的信息钥匙,可以帮助人类更好地了解在我们太阳系最边缘地带内的其他小行星。


以下是自2015年以来,通过“新视野”科学家们获得的数据,了解到的关于冥王星系统最酷、最奇怪、最出人意料的10项发现


1、冥王星有一颗“心”,控制着着行星上的活动。


在接近冥王星时,以及在飞越火星时拍摄到的高分辨率图像,“新视野”号观察到的一个标志性特征就是火星的心脏:一个巨大的、百万平方英里的氮冰川。心脏的左心室,被称为斯普特尼克·普尼蒂亚( Sputnik Planitia),迫使这颗矮行星重新调整方向,使其现在几乎正对着冥王星的卫星卡龙(Charon)


加州帕萨迪纳喷气推进实验室的行星科学家、“新视野”团队成员詹姆斯·塔特尔·基恩说:“这个过程被称为真正的极向移动——当行星体改变其自转轴时,通常是对大型地质过程的反应。”


斯普特尼克·普尼蒂亚( Sputnik Planitia)目前的位置并非偶然。这是一个寒冷存储(盆地),氮冰聚集在那里形成了至少2.5英里(或4公里)厚的冰盖,形成了巨大质量的持续不平衡,加上卡龙(Charon)绕冥王星运行时的潮汐拉拽,实际上使这颗矮行星倾斜,因此盆地与冥王星和卡龙(Charon)之间的潮汐轴更接近。


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冥王星和它最大的卫星卡龙(Charon)的自然色照片,由美国宇航局的“新视野”(New Horizons)飞船于2015年7月13日和14日拍摄的照片整理而成。


基恩说:“那次事件也可能导致冥王星表面破裂,并在其地壳中形成许多巨大的断层,这些断层在冥王星的大部分地区蜿蜒曲折。”


该盆地被认为是在它现在位置的西北方向形成的,更靠近冥王星的北极。如果冰继续积累在盆地上,冥王星将继续调整自己的方向。


但还有更多的故事…


2、在冥王星地表下面可能有一个巨大的液态水海洋在晃动。


巨大质量的氮冰川可能不是导致斯普特尼克·普尼蒂亚( Sputnik Planitia)位移的唯一原因。来自“新视野”号的数据显示该盆地的地表下面可能有更重的质量也起到了作用,科学家怀疑这更重的质量是一个巨大的液态水海洋。


“这是一个惊人的发现,”基恩说。“这将使冥王星成为一个难以捉摸的‘海洋世界’,就像木卫二、土卫二和土卫六一样。”其他一些的证据线索,包括在“新视野”图像中看到的构造结构,也指向冥王星地壳下面存在一个海洋


斯普特尼克·普尼蒂亚( Sputnik Planitia)很可能是在40亿年前由某个来自柯伊伯带(Kuiper Belt )直径30到60英里(50到100公里)的天体撞击而形成的,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,现在能看到的厚厚的氮冰层之后被置于最上方。


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斯普特尼克·普尼蒂亚( Sputnik Planitia)示意图


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


3、冥王星的构造可能仍然活跃,因为海洋仍然是液态的。


巨大的断层绵延数百英里,在覆盖冥王星表面的冰壳上切下约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面下海洋的逐渐冻结。


水会在结冰时产生膨胀,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,冥王星虽具备这种收缩的条件,却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,那就意味着柯伊伯带的不同矮行星中可能充满了其他海洋世界,这极大地增加了我们太阳系中潜在的宜居地的数量。”


尽管冥王星的液态海洋今天可能仍然存在,科学家们怀疑它在大多数地方(虽然不是在斯普特尼克·普尼蒂亚下面)被隔离了近200英里(320公里)的冰。这意味着它今天可能还没有接触到冥王星表面。但在过去,它可能通过被称为冰火山(cryovolcanism)的火山活动渗出。


4、冥王星的火山活动曾经——现在可能仍然存在


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,从海平面上几英里高的火山的海底裂缝中喷出,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、泥状的冰岩浆(cryolava)曾在表面的不同地方倾泻。


科学家称之为“冰火山”。


莱特蒙斯(Wright Mons)和皮卡蒙斯(Piccard Mons)是位于斯普特尼克·普尼蒂亚南部的两座大山,它们都有很深的中心坑,科学家们认为,它们很可能是低温火山的火山口,与太阳系中发现的任何其他火山都不同。


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近距离观察2015年7月“新视野”号探测器在冥王星表面发现的两个可能的冰火火山之一,莱特蒙斯。


斯普特尼克·普尼蒂亚的西面是 Viking Terra,那里有很长的裂缝和地堑(grabens),这也证明了那里的表面曾经有流动的冰岩浆。


斯普特尼克·普尼蒂亚更远的西部是Virgil Fossae地区,富含氨的冰岩浆似乎在不超过10亿年前(甚至更近的时间)爆发出来,以呈现红色的有机分子结构覆盖了几千平方公里的区域 。


说到最近…


5、直到今天,冰川仍在切割冥王星的表面,而且这种切割已经持续了几十亿年。


冥王星加入了地球、火星和拥有活跃流动冰川的少数卫星的行列。


斯普特尼克·普尼蒂亚的东部是几十个主要由氮冰组成的冰川,它们从坑洼的高地流向盆地,在流动过程中形成了山谷。科学家们怀疑,季节性和“超级季节性”的氮冰循环从冰升华为蒸汽,飘在这颗矮行星周围,然后又在表面冻结,是冰川冰的来源。


但这些冰川与地球上的水冰冰川不同。首先,冰川内部的融化不会落到冰川底部,而是会上升到顶部,因为液氮的密度比固体氮小。当液氮出现在冰川顶部时,它甚至可能以喷射或间歇泉的形式喷发。


此外,冥王星表面的一些地方是由水冰组成的,其密度比氮冰略低。当冥王星的冰川雕刻地表时,一些水冰“岩石”会从冰川升起,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·普尼蒂亚”的照片中可以看到。“斯普特尼克·普尼蒂亚”是冥王星已知的最大的冰川,绵延超过620英里(1000公里),大约是俄克拉荷马州和得克萨斯州的总和。


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斯普特尼克·普尼蒂亚冰川高分辨视图。明亮的区域是冥王星著名的“心脏”西片区,富含氮、一氧化碳和甲烷冰。


6、冥王星巨大的斯普特尼克·普尼蒂亚冰川上有热对流“细胞”(气泡)。


把斯普特尼克·普尼蒂亚冰川进行表面放大,你会看到一些和太阳系其他地方不一样的东西:冰中有一个奇怪的各种多边形“网络”,每一个网络至少6英里(10公里)宽,在冰川表面翻腾。


尽管这些“网络”类似显微镜下的细胞,但它们实际上是冥王星内部热量试图从冰川下面逸出的证据,形成了上涌和下涌氮气冰的气泡,有点像一支熔岩灯。


温暖的冰上升到细胞(气泡)的中心,而寒冷的冰沿着细胞(气泡)的边缘下沉。地球上的任何冰川,或者太阳系中我们探索过的任何地方,都没有类似的东西。


7、冥王星的心脏确实在跳动,控制着它的大气和气象。


尽管冥王星又冷又遥远,但它那冰冷的“心脏”每天仍在敲着有节奏的鼓,控制着冥王星的大气和气象,就像格陵兰岛和南极洲帮助控制地球气候一样。


冥王星的心形 Tombaugh Regio区域内的氮冰每天都要经历一个循环,在白天的阳光下从冰升华为蒸汽,在寒冷的夜晚凝结回表面。每一轮就像心跳一样,推动着氮风以每小时20英里的速度在冥王星上循环。


“冥王星的心脏实际上控制着它的大气循环,”加利福尼亚州山景城美国宇航局艾姆斯研究中心的行星科学家唐基·伯特兰说。


伯特兰利用“新视野”号数据创建的复杂气象预报模型显示,当这些冰在冥王星冰冷的心脏北部地区升起来,在冥王星南部冻结时,这些冰推动着凛冽的风往西吹,与冥王星向东旋转的方向奇怪地相反着。


这些西风撞击着冥王星心脏边缘崎岖的地形,解释了为什么在斯普特尼克·普尼蒂亚冰川的西部边缘会有风条纹。伯特兰说,考虑到冥王星的大气层只有地球大气层的10万分之一,这是一个了不起的发现。它们还解释了其他一些令人惊讶的类似沙漠的特征。


说到这里…


8、冥王星沙丘。


它不是撒哈拉沙漠或戈壁沙漠,而是数百个沙丘在斯普特尼克·普尼蒂亚西部边缘延伸至少45英里(75公里),科学家们怀疑它们是最近形成的。


沙丘需要小颗粒和持续的风,风可以吹起沙粒或其他东西。尽管冥王星引力弱、大气稀薄、极冷、表面全是冰,但它显然已经(或可能仍然)具备了形成沙丘所需的一切条件。


位于斯普特尼克·普尼蒂亚冰川西北边缘的水冰山可能提供了这些沙粒,而冥王星跳动的氮“心脏”则提供了风。而不是像地球上被狂风卷起的石英、玄武岩和玄晶石沙粒,科学家怀疑冥王星上的沙丘是由每小时不超过20英里的风携带的沙粒大小的甲烷冰,考虑到沙丘的大小,过去的风可能更强,大气也厚得多。 


9、冥王星和卡龙几乎没有小陨石坑,这可是个大事情。


在行星表面发现陨石坑是太空中的一种常态。但如果说冥王星系统有什么不正常的地方的话,那就是冥王星和卡龙都没有很多小陨石坑,陨石坑几乎都很大。


“这让我们很惊讶,因为这里的小陨石坑比我们预期的要少,这意味着柯伊伯带的小天体也比我们预期的要少,”来自科罗拉多州博尔德市西南研究所的“新视野”项目执行主任科学家凯尔西·辛格(Kelsi Singer)说。


“新视野”号发回的陨石坑图像分析表明,几乎没有直径小于1英里的物体撞击过这两个世界。因为科学家们没有理由相信构造活动(地质活动)会优先抹去这些小陨石坑的表面,这可能意味着柯伊伯带几乎没有非常小的天体物质。


辛格说:“这些结果为我们了解太阳系是如何形成的提供了线索,因为它们告诉了我们构成更大天体的物质数量,比如冥王星,甚至可能还有地球。” 

 

10、卡龙曾经有过火山,这可能是了解其他冰封世界的关键。


“新视野号”还拍摄到了冥王星的卫星卡龙的令人惊叹的照片,并揭示了那里一些令人惊讶的地质情况。


通过“新视野”拍摄的高分辨照片,卡龙的一侧有两种截然不同的地形类型:一种是向南延伸的广阔平原,其正式名称为Vulcan Planitia,至少有加州那么大。另一种是通常被称为Oz Terra的崎岖地形,它向北延伸至卡龙的北极。两者似乎都是由卡龙地壳下的古老海洋冻结和膨胀形成的(你猜对了!)


北部的适度扩张形成了今天Oz Terra的崎岖多山的地形,而南部的扩张通过喷口、裂缝和其他开口,形成了冰岩浆,溢出了地表。事实上,Vulcan Planitia被认为是卡龙早期覆盖整个地区的巨大冰丘。


在太阳系的一些结冰的卫星上也存在类似的特征,包括海王星的巨大卫星Triton,土星的卫星Tethys,土卫四和土卫二,以及天王星的卫星Miranda和Ariel。多亏了新视野”号提供的卡龙详细图像,卡龙的过去模型可能也像一块罗塞塔石碑,可以帮助我们了解其他冰封世界的火山和地质活动。


阅读原文,点击:https://hub.jhu.edu/2020/07/21/10-things-we-learned-about-pluto/


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