裂缝、冰冻和倾倒——来自冥王星过去的新线索

2016-12-09 11:14:00 作者:太空联盟微信公众号 分类 : 探索发现

  斯普特尼克(注1)平原(Sputnik Planitia)是冥王星表面著名的心形区域中的一个1000公里宽的盆地。它之所以在现在这个位置,可能是因为堆积的冰使得冥王星这颗矮行星打了个滚,并在地壳中产生了裂缝和张力,导致了可能存在地下海洋。

  上述研究结论来自一篇发表在11月17日的《Nature》上的文章,文章的作者为美国亚利桑那大学月球和行星实验室(LPL,Lunar and Planetary Laboratory)的博士生詹姆斯·基恩(James Keane)及其导师助理教授松山勇(Isamu Matsuyama)。他们给出了证据:在一种被称之为“真极移”的过程中,堆积的冷冻氮将整个行星拽失衡了,就像一个旋转的陀螺上粘了一块口香糖。

  基恩说: “有两种方式可以改变一颗行星的自转。第一种——也是我们都很熟悉的一种——行星的倾角的改变,也就是行星自转轴相对于太阳系的其余部分重新调整了方向。第二种方式是通过真极移了,虽然自转轴相对于太阳系的其余部分保持固定,但行星在其下重新定向了。”

  行星喜欢用这样一种能量最小化的方式来自转。简言之,这意味着行星愿意重新定向,使得任何多出来的质量更接近赤道,并使得任何少掉的质量更靠近两极。比如说,如果一个巨大的火山从洛杉矶长出来,那地球将会重新调整姿态从而把洛杉矶转到赤道上去。

  Credit: NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute  Credit: NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute

  要理解冥王星的极移,首先要认识到冥王星与地球的不同: 地球的自转轴只是略微倾斜,这使得地球赤道附近的地区接收到最多的阳光,而冥王星就像一个侧躺着旋转的陀螺。因此冥王星的两极得到了最多的阳光,依季节而定,会是它的南极或者北极,但冥王星的赤道地区则始终非常寒冷。

  因为冥王星到太阳的距离比我们远将近40倍,这使得冥王星这个冰与石头的小球需要248个地球年才能完成它的冥王星年。在靠近冥王星赤道的低纬度地区,温度可达零下240摄氏度,冷得足以把氮气冻成冰块。

  在冥王星的一年中,起初氮气和其它外来气体凝结在永久阴影区中,最终随着冥王星绕着太阳公转,这些冰冻的气体升温挥发再次变成气态,并在这颗行星的另一侧再次凝结,导致了斯普特尼克平原的季节性“降雪”。

  

Credits: NASA/JHUAPL/SwRI

 

Credits: NASA/JHUAPL/SwRI

  基恩说: “每当冥王星绕太阳一圈,都会在心形区域那积累一点氮雪。一旦堆积了足够的冰雪,或许一百多米厚,它就会开始改变行星的形状,这会导致行星重新定向。如果你在行星上的一个地方堆积了过多的质量,它就会想转到赤道那里去。最终,经过数百万年,它将会拖倒整个行星。”

  从某种意思上说,冥王星是一颗由天气控制其形状和在空间中的位置的(矮)行星。

  基恩说:“我觉得这个整颗行星通过挥发循环被拖倒的想法,之前并没有很多人真的想过。”

  这两位研究人员使用新视野号飞船(New Horizons)飞临冥王星时观测到的数据,将其与计算机模型相结合,这样他们可以将类似斯普特尼克平原这样的特征在行星表面上移动,看看会对行星的自转轴产生什么影响。模型表明,斯普特尼克平原的地理位置最终非常接近它预期的位置。

  按照基恩和松山的研究,如果斯普特尼克平原是一个巨大的正向物质异常——也许由于加载了氮冰——它会为了达到最小能量状态而自然而然地向冥王星和其最大卫星卡戎(Charon)的潮汐轴方向移动。换句话说,大量积累的冰最终会到达一个使得冥王星自转轴摆动最小的位置。

  极移最早是在月球和火星上发现的,现象本身和冥王星上的类似,只不过发生在遥远的几十亿年前的过去。

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