裂缝、冰冻和倾倒——来自冥王星过去的新线索

冥王星 · 2016-12-9 10:12:23

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文章来源：太空联盟微信公众号　　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　　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　　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。　　“在冥王星上，这些过程正在进行。”基恩说，“冥王星的整个地质状况——冰川、山脉和峡谷——看起来都和挥发过程有关。这与太阳系中大部分行星和卫星的情况不一样。”

Credits： NASA/JHUAPL/SwRI　　不仅如此，模拟和计算也预测了冥王星核心聚集的冰冻挥发物将会导致行星表面有裂缝和断层，它们的位置与新视野号观测到的位置精确吻合。　　基恩解释道，冥王星上构造断层的存在暗示了冥王星历史上某个时期曾存在地下海洋。 “就像冻住的冰块，”他说，“当水变成冰时会膨胀。在行星尺度上，这一过程会使行星表面破裂，造成我们今天所看到的断层。”　　与这篇文章同时发表的还有一篇报告，是由加州大学圣克鲁兹分校的佛朗西斯·尼莫和其同事撰写的，他们同样考虑了冥王星表现的重新定位的含义。他们赞同潮汐力可以解释斯普特尼克平原目前的位置，但是为了使他们的模型可用，现在的冥王星也得有一个地下海洋。　　这两项工作都强调了“出乎意料活跃的冥王星”的概念。　　“在新视野号之前，人们通常认为挥发物仅仅是一层薄薄的霜，一种可以改变颜色或者影响局部或区域地质情况的表面效应，”基恩说，“行星上的挥发物运动和冰的移动可能导致一种戏剧性的、撼动行星的效果，这点并不是什么人都可以预测到的。”　　这篇研究文章的合作者是日本札幌北海道大学创意研究机构的鎌田俊一（Shunichi Kamata）以及工作于美国印第安州普渡大学西拉法叶校区和亚利桑那州图森行星科学研究所的乔丹·斯泰克劳福（Jordan Steckloff）。　　注1：　　Sputnik是1957年10月4日前苏联发射的世界上第一颗人造地球卫星的名字，通常翻译成伴侣号，后来也作为人造卫星的代名词，Sputnik平原意为人造卫星平原，这里采用音译斯普特尼克以避免误解。

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