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冥王星也有地下海洋?

2020-07-01 撰文/安德魯斯(Robin George Andrews)
新模型透過地質特徵推論出行星的內部結構。


冥王星心形的湯博區(Tombaugh Regio)被認為是這顆矮行星美麗的亮點。美國航太總署(NASA)的新視野號太空船在2015年飛越該區上空,清楚拍攝了這片高反射率的龐大地質特徵。近期估計這片區域的西半部史波尼克高原(Sputnik Planitia)至少有1900公里長,因而引起了研究人員的注意:這似乎是古早巨大撞擊所形成的「坑」。今日,此地散佈著翻騰的新生氮浮冰。


新視野號無法清晰捕捉冥王星另一側影像,但它窺探了史波尼克高原的對蹠點(antipode,球體直徑兩端的點互為對蹠點),那片混沌地形佈滿裂縫、丘陵和坑洞。該區缺乏明顯的形成機制,科學家得推論其起源。


新研究指出,形成史波尼克高原的巨大撞擊正是這片混沌地形形成的主因。科學家模擬這次大災難現場,發現此撞擊發出強大的衝擊波,沿著地層傳播並穿透冥王星,撕裂了另一側的表面。關鍵在於冥王星得擁有150公里厚的地下液態水海洋,強大地震波才能傳播並形成這般規模的雜亂地形。科學家已研究此論點好一段時間。


這項研究成果於今年3月的月球與行星科學研討會發表,模型尚在初步階段,未經同儕審查。但是NASA噴射推進實驗室的行星科學家基恩(James Tuttle Keane)表示,把巨大撞擊連結到遠端的地質特徵並藉此推論冥王星的內部結構,是「非常新穎的想法」。


未參與這項研究的美國北卡羅來納州立大學行星地質學家柏恩(Paul Byrne)評論,如果以行星地震學的方法得知水的存在是合理推論,那麼能從遠端破解謎團的不該只有冥王星。這方法可以擴展到各種冰冷的衛星和天體,包括太陽系冰態巨行星(例如天王星或海王星)的衛星和隱藏在庫伯帶中的矮行星。未參與這項研究的楊百翰大學行星科學家拉德博(Jani Radebaugh)指出,此研究提醒人們,新視野號飛越冥王星的價值難以估量,她評論:「我們從中汲取出的一點點成果,都令人驚豔。」


史波尼克高原的位置意味著冥王星內部藏有一片海洋,但需要更多證據來證實。科學家透過機器探測了穿透地球、月球和火星的地震波,這些波穿透介質時會反射、偏折或扭曲,他們藉此描繪出地層的圖像。但他們不可能派遣機器探索遙遠的冥王星。


幸運的是,契機就藏在相對較近的水星。水星有寬約1500公里的卡路里盆地(Caloris Basin),這座撞擊坑的對蹠點有著佈滿碎石和劇烈起伏的地貌。拉德博說:「水星其他區域都沒有類似地形。」長期以來,研究人員一直認為這片古怪地形源自形成卡路里盆地的巨大撞擊,就像冥王星史波尼克高原的對蹠點那片起伏不定的地形可能是類似的撞擊所致。


科學家因此思考,何不重建冥王星的地震學模型加以探索?他們使用了iSALE模型,可模擬行星尺度的撞擊以及後續的物理過程。這項新研究的主要作者、普渡大學行星地質學家丹頓(Adeene Denton)說,她「撞擊了冥王星無數次」。


能形成史波尼克高原和其對蹠點的最佳模擬結果,是一個400公里寬的天體以每小時7200公里的速度撞向這顆矮行星。在iSALE模型中,當這個天體撞擊形成史波尼克高原時,巨大的衝擊波會穿透冥王星,產生的應力波導致地表變形,而應力波的傳播取決於介質的聲速。應力波穿過冥王星岩心時速度較快,穿過星體冰冷的外殼時較慢,穿過兩者之間150公里厚的液態水海洋時則更慢。

若冥王星的岩心由蛇紋岩組成,則可模擬出最佳擬合的數據;應力波在蛇紋岩傳播的速度會比其他岩石還慢。要是在冥王星岩心與地下海洋傳播的聲速差異很小,則穿過地下海洋傳播到另一側的地震能量更多。整體而言,史波尼克高原的對蹠點聚積了大量能量,足以形成新視野號所看到的破碎地貌。

柏恩表示,與史波尼克高原的影像相比,新視野號拍攝另一側影像的解析度較差,因此並不容易精確計算。基恩說:「冥王星的另一側有很多奇怪的事物。而且可以提出各種可能性來解釋這些奇怪影像。」其中一種跟甲烷冰、二氧化碳冰和氮冰的揮發性有關,它們在氣體和固體之間轉變時會侵蝕冥王星的地貌,也可能改變了史波尼克高原的對蹠點上那片古怪地形。(最近有項研究也指出,揮發性物質改變了水星卡路里盆地的對蹠點上那片混沌地形。)

若新模型正確,人們將更相信冥王星及其他冰凍星球可能擁有地下海洋。丹頓表示,它們不再是冰封的星球,「還可能擁有難以置信的豐富地質歷史。」(宋宜真 譯)

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