2015年7月14日,新視野號(hào)近距離飛掠了冥王星,最近距離只有1萬(wàn)多公里。現(xiàn)在8個(gè)月過(guò)去了,科學(xué)家從新視野號(hào)發(fā)回的數(shù)據(jù)里有了哪些驚人發(fā)現(xiàn)? |
新視野號(hào)拍攝的冥王星高分辨率照片,其中上部“心形”的史潑尼克平原擁有豐富的氮、一氧化碳和甲烷。
就在一年前,冥王星還是新視野號(hào)相機(jī)鏡頭里不起眼的明亮斑點(diǎn),與1930年克萊德·湯博發(fā)現(xiàn)它時(shí)沒(méi)什么兩樣。
但就在這一周的《科學(xué)》雜志上,新視野號(hào)團(tuán)隊(duì)的科學(xué)家們發(fā)表了第一套綜合性論文,來(lái)描述去年7月新視野號(hào)近距離飛掠冥王星系統(tǒng)得到的最新探測(cè)結(jié)果。
來(lái)自美國(guó)西南研究院(SwRI)、新視野號(hào)首席科學(xué)家阿蘭·斯特恩(Alan Stern)介紹說(shuō):“這五篇論文完全改變了以往我們對(duì)冥王星的認(rèn)識(shí),新視野號(hào)揭示這顆“前第九大行星”是一個(gè)擁有多種地貌、地質(zhì)活動(dòng)相當(dāng)活躍的星球。冥王星表面物質(zhì)成分令人驚異,且有一個(gè)與太陽(yáng)交互作用復(fù)雜的大氣層,以及一群有趣的小衛(wèi)星?!?/p>
去年7月14日,在深空飛行9年,旅途長(zhǎng)達(dá)30億英里(近50億公里)的新視野號(hào)抵達(dá)了它最重要的目標(biāo)天體--冥王星。新視野號(hào)也是迄今從地球出發(fā)速度最快的探測(cè)器,離開地球時(shí)速度達(dá)到16.26千米/秒,在發(fā)射后9小時(shí)就飛過(guò)了月球軌道,而阿波羅飛船需要三天。
右下角是冥王星上古老的、布滿隕石坑的地形,呈現(xiàn)暗紅色是因?yàn)樯厦娓采w有托林(tholins)這種物質(zhì)。整幅圖區(qū)域?qū)?20公里,高225公里。
新視野號(hào)攜帶的七項(xiàng)儀器獲得了冥王星約50Gb的科學(xué)數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)絕大多數(shù)是在飛掠前后九天的時(shí)間里獲得的。
冥王星的第一張近距離照片顯示了其表面擁有一個(gè)巨大的“心形”地貌特征,向科學(xué)家展示了這顆矮行星的冰封世界。這也是人類首次“涉足”這片遙遠(yuǎn)的太陽(yáng)系邊緣地帶--柯伊伯帶,而冥王星正是柯伊伯帶里迄今發(fā)現(xiàn)的最大的天體,這些天體比之前我們建立模型預(yù)測(cè)的更有趣,也更令人迷惑。
在這之前,科學(xué)家們認(rèn)為柯伊伯帶的天體自形成以來(lái)應(yīng)該變化不大。但新視野號(hào)近距離觀測(cè)冥王星與冥衛(wèi)一卡戎(Charon)的結(jié)果卻讓科學(xué)家不得不重新思考,究竟什么樣的地質(zhì)活動(dòng)可以在這些遙遠(yuǎn)的天體上持續(xù)這么久。
通過(guò)分析冥王星表面物質(zhì)的成分,科學(xué)家們認(rèn)為今天冥王星復(fù)雜多樣的地貌,源自億萬(wàn)年來(lái)冥王星表面物質(zhì)的持續(xù)相互作用。這些物質(zhì)包括易揮發(fā)移動(dòng)的甲烷冰、氮冰與一氧化碳冰,以及在冥王星低溫表面較穩(wěn)定的水冰。
來(lái)自洛厄爾天文臺(tái)的科學(xué)家、論文第一作者威爾·格蘭迪(Will Grundy)介紹說(shuō):“我們注意到表面易揮發(fā)冰類物質(zhì)的分布變化,這說(shuō)明冥王星有奇妙的揮發(fā)-冷凝循環(huán)過(guò)程。相比較地球上的水循環(huán),冥王星的這個(gè)物質(zhì)循環(huán)過(guò)程更豐富,至少有三種物質(zhì)參與,并且這個(gè)相互作用過(guò)程我們現(xiàn)在還沒(méi)有弄明白,但是我們肯定它們的相互作用讓冥王星整個(gè)表面發(fā)生了變化?!?/p>
新視野號(hào)拍攝的霧霾狀的冥王星大氣層,冥王星大氣呈層狀分布,照片里大約分20層,并橫向延伸數(shù)百公里。
科學(xué)家們也發(fā)現(xiàn)冥王星上空分層的霧靄狀大氣,并且大氣層比預(yù)期更冷更稠密,這影響到冥王星的上層大氣如何逃逸到宇宙空間,以及如何與太陽(yáng)風(fēng)中的帶電粒子流相互作用。
在這之前,科學(xué)家認(rèn)為從冥王星大氣逃逸損失的物質(zhì)會(huì)非常多,就像彗星揮發(fā)的彗尾一樣。但實(shí)際上,冥王星大氣物質(zhì)逃逸速度并不快,反倒和我們地球大氣層很相似??茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)冥王星大氣逃逸的氣體主要是甲烷,而不是氮?dú)?,這是相當(dāng)令人驚訝的,因?yàn)橼ね跣墙泶髿庥?9%的組成是氮?dú)狻?/p>
科學(xué)家也對(duì)冥王星的四顆小衛(wèi)星進(jìn)行了首次近距離成像分析,這些衛(wèi)星是在2005年至2012年間發(fā)現(xiàn)的。其中冥衛(wèi)二尼克斯(Nix)和冥衛(wèi)三許德拉(Hydra)直徑約40千米,冥衛(wèi)四科伯羅司(Kerberos)與冥衛(wèi)五斯堤克斯(Styx)直徑約10千米??茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)這些小衛(wèi)星有異常高且不規(guī)律的旋轉(zhuǎn)速度,以及不尋常的極向一致性。這些衛(wèi)星都有明亮的冰層表面,且顏色與冥王星和冥衛(wèi)一卡戎很不一樣。
有證據(jù)證明其中幾顆小衛(wèi)星是由早期更小的碎片合并而成,并且表面地質(zhì)年齡至少已有40億年。這兩條探測(cè)結(jié)果支持科學(xué)家此前對(duì)這些小衛(wèi)星形成的假設(shè):在冥王星-冥衛(wèi)一雙星系統(tǒng)形成期間,這些小衛(wèi)星由很多碎片碰撞形成。
目前,科學(xué)家已接收到一半新視野號(hào)飛掠冥王星所獲得數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)以無(wú)線電信號(hào)的形式光速傳回地球需要五個(gè)小時(shí),所有冥王星的科學(xué)數(shù)據(jù)將在2016年底全部發(fā)回。
上圖為冥王星“心形”的史潑尼克平原局部高清特寫,分辨率160米/像素;下圖為位于冥衛(wèi)一赤道上,武爾坎平原附近的地貌,分辨率320米/像素。
以下為新視野號(hào)的九大新發(fā)現(xiàn):
01.由表面撞擊坑數(shù)量計(jì)算,冥王星在過(guò)去40億年里一直處于地質(zhì)活躍狀態(tài)。此外,冥王星心形區(qū)域里光滑的“史潑尼克平原(Sputnik Planum)”沒(méi)有探測(cè)到任何隕石坑,地質(zhì)年齡非常年輕,不超過(guò)1000萬(wàn)年。
02.冥王星最大衛(wèi)星冥衛(wèi)一卡戎擁有一個(gè)古老的表面。例如,卡戎赤道附近的武爾坎平原(Vulcan Planum)可能是在40億年前,由大量冰火山的噴發(fā)物流動(dòng)形成的。這些流動(dòng)的噴發(fā)物源自卡戎遠(yuǎn)古時(shí)期的地下海洋,從地殼破裂處噴發(fā)出來(lái)。
03.冥王星表面物質(zhì)呈現(xiàn)區(qū)域性分布特征:有些區(qū)域氮較為豐富,有些甲烷較為豐富,而有些區(qū)域水冰分布較為集中,這樣的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)非常讓人驚訝,同時(shí)這種分布也為了解冥王星地質(zhì)歷史與氣候變化創(chuàng)建了拼圖。在外太陽(yáng)系,冥王星表面的物質(zhì)變化是前所未有的。
04.冥王星上層大氣溫度比之前預(yù)測(cè)的要低很多,這對(duì)冥王星大氣逃逸速率有重要影響,但為什么冥王星大氣層比預(yù)想的要冷仍是一個(gè)謎。
05.新視野號(hào)對(duì)冥王星大氣中許多重要組成成分(包括分子氮、甲烷、乙炔、乙烯、乙烷)進(jìn)行了測(cè)量,并首次繪制出高度函數(shù)。
06.同樣也是首次,冥王星霧霾狀大氣層一種可能的形成機(jī)制被發(fā)現(xiàn)。這種機(jī)制涉及由浮力波影響的大氣中混濁顆粒的濃度,由風(fēng)吹過(guò)冥王星山區(qū)形成。
07.在飛掠冥王星前,因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)了其他小型衛(wèi)星,引發(fā)了對(duì)冥王星系統(tǒng)中可能存在冰與巖石碎片的擔(dān)憂。但是新視野號(hào)攜帶的塵埃計(jì)數(shù)器在飛掠前五天內(nèi),只發(fā)現(xiàn)了零星的塵埃粒子,這表明冥王星周圍區(qū)域?qū)嶋H上不是充滿了碎片。
08.新視野號(hào)揭示了太陽(yáng)風(fēng)和冥王星大氣之間的相互作用區(qū)域,在向著太陽(yáng)的一面只有7000公里,不到冥王星半徑的6倍,這比之前預(yù)期的要小的多。這可能是因?yàn)橼ね跣谴髿馓右菟俾实陀诖饲敖5玫降慕Y(jié)果,而之前建立的模型源于對(duì)冥王星紫外大氣掩星的觀測(cè)數(shù)據(jù)。
09.冥王星四顆小衛(wèi)星擁有較高的反照率,大約50%~80%。這與柯伊伯帶上其他小天體較低的反照率非常不同,其他小天體反照率只有5%~20%。這說(shuō)明了這四顆小衛(wèi)星并不是冥王星從柯伊伯帶里俘獲的,而是在早期形成整個(gè)冥王星衛(wèi)星系統(tǒng)的過(guò)程中,大型撞擊產(chǎn)生的物質(zhì)盤聚合形成。
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