科學(xué)/太空
幾十年來，天文學(xué)家一直試圖弄清楚冥王星是如何捕獲其最大的衛(wèi)星的?，F(xiàn)在，有了一個新的理論
阿什利·斯特里克蘭
CNN記者阿什莉·斯特里克蘭報道
6分鐘閱讀
Fri東部時間2025年1月10日上午10:53更新
一組增強(qiáng)的彩色圖像展示了冥王星(右下)和它的大衛(wèi)星冥衛(wèi)一(左上)，由美國國家航空航天局的新視野號飛船在2015年7月14日經(jīng)過時拍攝。美國國家航空航天局/約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室/西南研究所
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幾十年來，天文學(xué)家一直試圖確定冥王星是如何獲得其異常巨大的衛(wèi)星卡戎的，它的大小約為矮行星的一半?，F(xiàn)在，新的研究表明，冥王星和冥衛(wèi)一在數(shù)十億年前的一次新發(fā)現(xiàn)的“親吻和捕獲”碰撞中短暫相遇。
科學(xué)家們長期以來一直認(rèn)為卡戎的形成很像地球的月亮，它是在一個火星大小的物體撞擊我們的星球后產(chǎn)生的。撞擊使熔化的碎片從地球飛入太空，最終在環(huán)繞我們世界的軌道上聚集在一起，冷卻后形成了月球。
但是這些理論沒有考慮到冥王星和冥衛(wèi)一可能在太陽系寒冷的邊緣有更多的結(jié)構(gòu)完整性?！摆ね跣呛挖ばl(wèi)一是不同的——它們更小，更冷，主要由巖石和冰組成，”該研究的首席作者Adeene Denton說，該研究周一發(fā)表在《自然地球科學(xué)》雜志上。
美國國家航空航天局新視野號的高分辨率增強(qiáng)彩色圖像捕捉到了多巖石、冰冷的衛(wèi)星卡戎的詳細(xì)透視圖。美國國家航空航天局/JHUAPL
相反，冥王星和冥衛(wèi)一在相撞后很可能保持不變，一起旋轉(zhuǎn)形成一個形狀像宇宙雪人的物體，然后分離成今天的雙星系統(tǒng)，研究作者說。根據(jù)作者的說法，當(dāng)兩個天體圍繞一個共同的質(zhì)量中心旋轉(zhuǎn)時，就形成了雙星系統(tǒng)，就像花樣滑冰運(yùn)動員手牽手旋轉(zhuǎn)一樣。
“大多數(shù)行星碰撞場景被歸類為'撞了就跑’或'擦撞合并’，”丹頓說，他是科羅拉多州博爾德市西南研究所的美國國家航空航天局博士后項(xiàng)目研究員。“我們發(fā)現(xiàn)的是完全不同的東西——一個'親吻和捕捉’的場景，物體碰撞，短暫地粘在一起，然后分離，同時保持引力束縛。”(丹頓作為亞利桑那大學(xué)月球和行星實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員進(jìn)行了這項(xiàng)研究。)
丹頓和她的同事發(fā)現(xiàn)的這種新型天體碰撞可以揭示行星如何形成和演化，以及太陽系外圍的其他天體如何獲得自己的衛(wèi)星。新的研究可能會為冥王星的冰殼下存在地下海洋提供證據(jù)。
行星如何獲得衛(wèi)星
卡戎和地球的衛(wèi)星都是它們所圍繞的主體體積的很大一部分，這與太陽系中其他圍繞行星運(yùn)行的較小衛(wèi)星不同。(冥王星除了卡戎還有四顆較小的衛(wèi)星。)
例如，火星是由兩個叫做“火衛(wèi)一”和“戴莫斯”的馬鈴薯形狀的小衛(wèi)星環(huán)繞的，這兩個小行星很可能是被紅色星球的引力捕獲的。
但丹頓說，這種類型的形成不太可能像我們的月球或卡戎那樣大的物體。丹頓說，其他碰撞的例子有撞擊并運(yùn)行，當(dāng)一個撞擊器撞擊一顆行星并繼續(xù)前進(jìn)，或者擦傷并合并，當(dāng)一個物體撞擊一顆行星并聚集在一起。
藝術(shù)再現(xiàn)了對冥王星的巨大而緩慢的撞擊，導(dǎo)致其表面出現(xiàn)心形的斯普特尼克行星結(jié)構(gòu)。
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2000年代早期的簡單模型模擬了冥王星和冥衛(wèi)一如何形成現(xiàn)在的方向，支持了一些物體與冥王星碰撞產(chǎn)生冥衛(wèi)一的想法。丹頓說，在這種情況下，碰撞的物質(zhì)被視為一種無強(qiáng)度的流體，這意味著冥王星和冥衛(wèi)一將像兩個旋轉(zhuǎn)、彎曲的斑點(diǎn)，就像熔巖燈一樣。
在過去的五年里，撞擊形成模型的模擬已經(jīng)取得了進(jìn)展，這使得研究人員可以將天體的物質(zhì)強(qiáng)度屬性包括在內(nèi)——例如冥王星作為被冰覆蓋的巖石核心。丹頓說，冥王星包含的巖石比冰多，而卡戎50%是巖石，50%是冰。
當(dāng)?shù)ゎD和她的同事模擬了包括冥王星和冥衛(wèi)一的結(jié)構(gòu)屬性在內(nèi)的碰撞時，他們能夠更好地確定兩個天體之間交換的撞擊動量以及最終結(jié)果。
雖然冥王星和冥衛(wèi)一在撞擊過程中可能交換了一些物質(zhì)，但由于它們的組成，兩者基本上保持完整，粘在一起形成了一個雪人一樣的形狀，并作為一個整體旋轉(zhuǎn)，直到冥王星隨著時間的推移基本上將冥衛(wèi)一推到了一個更遙遠(yuǎn)的軌道上。
雖然當(dāng)冥王星和冥衛(wèi)一相撞時，一些物質(zhì)可能丟失到了太空中，但“親吻和捕獲”的影響導(dǎo)致兩個物體基本保持不變，如動畫所示。動畫由Adeene Denton和Robert Melikyan提供
丹頓在一封電子郵件中說:“我們肯定對親吻捕捉中的'親吻’部分感到驚訝。”?！斑@兩個天體在重新分離之前只是暫時合并，這種撞擊以前從未有過?！?/span>
這些發(fā)現(xiàn)表明卡戎可能和冥王星一樣古老。研究人員并不完全確定撞擊發(fā)生的時間，但它可能發(fā)生在大約40億年前，太陽系歷史的早期，據(jù)估計太陽系已有46億年的歷史。
“我們知道它發(fā)生得相當(dāng)早，因?yàn)槟鞘蔷薮笈鲎舶l(fā)生的時候——我說的早期，是指太陽系形成后的幾千萬年，大約與(地球月球的形成)同時，”丹頓說。
澳大利亞科廷大學(xué)地球和行星科學(xué)學(xué)院教授兼副院長卡塔琳娜·米利科維奇博士說，這項(xiàng)研究是“數(shù)值地球物理學(xué)進(jìn)步的一個很好的例子”。她沒有參與新的研究。
“他們?yōu)橼ね跣?卡戎系統(tǒng)的起源提供了一個優(yōu)雅的解決方案，通過以更高的保真度處理行星體的物理屬性，為這個系統(tǒng)的起源帶來了更可行的撞擊和捕捉場景，”米利科維奇在一封電子郵件中寫道。
地下海洋
冥王星屬于一組被稱為柯伊伯帶的物體，它們遙遠(yuǎn)地圍繞太陽運(yùn)行，太陽系形成時遺留下來的數(shù)千塊冰在這里徘徊。丹頓說，柯伊伯帶10個最大的物體中有8個擁有像卡戎一樣的大衛(wèi)星，這意味著在太陽系形成時，柯伊伯帶可能發(fā)生過“親吻和捕獲”碰撞。
“在撞擊模型中加入更多的物理現(xiàn)實(shí)主義——當(dāng)技術(shù)趕上自然世界的復(fù)雜性時，我們有時不得不等待——改變了答案，并為冥王星、冥衛(wèi)一和許多其他柯伊伯帶物體打開了一套新的可能歷史，”西南研究所的工作人員科學(xué)家艾麗莎·羅登在一封電子郵件中說。
羅登和丹頓都在9月開始通過美國國家航空航天局太空生物學(xué)博士后項(xiàng)目工作，但羅登沒有參與冥王星的研究。
一些科學(xué)家懷疑冥王星厚厚的冰殼下可能存在海洋，但有人提出疑問，在這個寒冷的世界，這樣的海洋是如何形成的。
根據(jù)新的研究，當(dāng)巖石、冰冷的身體粘在一起時，“親吻和捕捉”碰撞創(chuàng)造了一個類似宇宙雪人的圖形。西南研究所/Adeene Denton/Robert Melikyan
丹頓說，新的碰撞場景支持海洋的形成，因?yàn)檫@種撞擊加熱了天體。例如，卡戎與冥王星的碰撞會提高矮行星冰殼的溫度，這可能導(dǎo)致它融化并形成地下海洋。
羅登說，她很好奇這樣的變化是否也發(fā)生在柯伊伯帶其他有大衛(wèi)星的物體上。
“形成卡戎的撞擊——或者說冥王星和撞擊器的特征——是否有什么特殊之處，導(dǎo)致冥王星成為罕見的(柯伊伯帶天體)海洋世界？”羅登說。
也有可能在卡戎與冥王星分離后，從近距離軌道移動到更遠(yuǎn)的軌道，兩個天體都經(jīng)歷了潮汐加熱。當(dāng)行星或衛(wèi)星的內(nèi)部由于軌道上兩個物體之間的引力而被加熱時，這個過程就會發(fā)生。
“這很重要，因?yàn)槲覀儾淮_定冥王星在撞擊前可能擁有什么樣的熱條件，”丹頓說?！叭绻ね跣鞘亲鳛橐粋€沒有海洋的較冷的物體形成的，那么巨大的撞擊可能會提供關(guān)鍵的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，然后推動冥王星形成并維持地下海洋。”
