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表面温度只有-229℃的冥王星,为何拥有液态海洋?

 姿势分子_ 2021-03-22
1930年2月18日,美国天文学家克莱德·威廉·汤博发现了冥王星。由于它距离太阳非常遥远,能接收到的太阳辐射极少,所以表面非常寒冷,所以人们把它与阴森的冥界联系起来,将它命名为冥王星。
事实证明,冥王星的确是一个寒冷彻骨的世界。它位于遥远的柯伊伯带,距离太阳最远时有73亿公里,近的时候也有44亿公里,又没有完整的大气层保护,因此表面温度极低。根据科学家的探测,其表面平均温度只有-229摄氏度。
对于这颗遥远的矮行星,我们的了解始终非常有限。直到2015年,NASA的新地平线号探测器首次近距离光临冥王星,让人类以前所未有的方式获得了大量关于冥王星的信息。借此机会,我们对冥王星和柯伊伯带有了一个全新的认识,甚至有了难以置信的发现:在冥王星冰封的表面之下,竟然还隐藏着一片液态水的地下海洋
很难想象,冥王星的内外竟然是差异如此明显的世界。毕竟外太阳系如此寒冷,如果没有确凿的证据,人们很难相信冥王星竟然有地下海洋。那么问题也随之而来:它的内部是如何拥有如此高的温度呢?
一般来说,行星内部的温度可能有多种来源。比如地球的核心,温度接近6000摄氏度,比太阳表面还高,这与内部的放射性物质在衰变过程中放出的热量有着密切的关系。因此有人推测:冥王星内部的液态水可能也来自于同样的机制。在45亿年前形成的时候,冥王星也是由宇宙中寒冷的物质凝聚而成,不过由于只有八大行星留下的边角料,所以凝聚过程非常慢,其中的放射性物质落在核心区域,如今释放出了热量,而落在中间区域的冰则因此而被融化。
不过,虽然这个说法可以解释冥王星内部的液态水的来源,但是新地平线号探测器观测到冥王星表面的其他特征却与之相悖,因此有些科学家并不认同这个说法。
加州大学圣地亚哥分校的地球和行星科学家Carver Bierson指出:“如果冥王星在一开始是冰冷的,后来冰在内部融化,冥王星应该会收缩(冰密度比水小,占体积更大),那么我们应该能在它的表面看到压缩的特征;而如果它一开始是炎热的,那就会随着海洋的冻结而发生膨胀,我们应该可以在它的表面看到延伸的地貌。”
随着新地平线号对冥王星地表的近距离拍摄,这些地形地貌图片也清晰地展现在了科学家们的眼前,对于验证冥王星液态海洋形成机制的猜想有着重要的意义。Bierson继续说:“我们看到了很多伸展的证据,但却没有发现任何挤压的痕迹。所以说,观测结果更符合冥王星开始时就拥有液态海洋的猜想。”
(图片说明:冥王星延伸的断裂层,暗示着其地下海洋的形成机制)
他和他的同事们对于这个结果也非常震惊,并且以主要作者的身份整理为论文发表在了《自然地球科学》上。
接下来的问题是,宇宙如此“寒冷”,由冰冷物质组成的冥王星是如何一开始就拥有如此高的温度呢?比较可能的一个说法,那就是冥王星的形成过程过于暴力,所有的物质并非温柔地凝聚在一起,而是以狂轰滥炸的形式聚集在冥王星上。在这样的轰炸过程中,冥王星的温度迅速蹿升,导致液态海洋的出现。
在提出这个看法后,研究人员继续对轰炸的时长进行了讨论。加州大学圣克鲁斯分校的地球和行星科学家Francis Nimmo说:“冥王星在最初究竟是怎样被组合起来的,这对于它的温度演化非常重要。如果它的组装过程过慢,表面的热物质就会将能量辐射到太空中去;如果组装过程太快,热量就会被锁在内部。”
根据以往的理论,柯伊伯带天体的形成过程非常漫长。直径2376公里的冥王星如果用这个模型来解释,其形成过程可能长达几亿年。如果情况真的是这样的,那么它内部的热量恐怕早就散失殆尽了,不可能还支持地下的液态海洋。
最新的研究表明,冥王星的形成过程可能分为两个阶段,这样的模式可以解释冥王星的一些问题。该模型认为,冥王星在从无到有,成长到300公里直径的过程中,经历了一段非常漫长的岁月。但是,随后的生长过程非常快,直径迅速超过了2000公里。
根据Bierson等人的推测,第二阶段可能仅仅持续了3万年的时间。这个时间短得惊人,在宇宙的时间尺度下几乎就是一瞬间,和冥王星数亿年的形成时间相比也不值一提。但他们相信,这样的时长才恰好保证冥王星能够在地表以下拥有一个液态海洋。同时,他们认为这一套机制也适用于其他一些柯伊伯带天体,这意味着某些较大的柯伊伯带天体也有着热启动的形成机制,以及地下液态海洋,并且在几十亿年的时间里都没有被冻结。
当然,这个推测目前也真的仅仅是推测,我们需要更多的证据来证明。对此,研究团队也提出了证明的方法。
他们在论文中指出:“冷启动和热启动模型之间有一个巨大的差别,那就是前者很可能会在近表面区域残留下未分化的富岩结构……像是在谷神星上发现的那种确凿的富岩证据,可以推翻冥王星热启动的理论。同样的,广泛存在的地形压缩痕迹,比如褶皱山脊,也会与热启动的冥王星相违背。”
因此,想要找到冥王星液态海洋出现的原因,我们必须对冥王星地表进行更深入的研究。不过,从目前来看,我们再次探访冥王星的日子恐怕是遥遥无期……

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