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杂志全面揭发新视线号冥王星新发掘,号开掘冥

发布时间:2019-05-03 06:25编辑:www.599588.com浏览(115)

    新视野号飞过了距离冥王星的最近点,不久之后我们就会收获史上最清楚的冥王星照片了——但哪怕在此之前,它也已经发现了许多关于冥王星的新东西。以下就是8.5个它带给我们的新知。(为什么不是9个?你懂的。)

    “新视野”号发现冥王星上冰山

    图片 1这张照片上可以看到冥王星边缘的大气层中大约有20层薄薄的雾霾。这些雾霾层在水平方向上通常延伸达数百千米,但又并非严格平行于地表。图片来源:NASA/JHUAPL/SwRI/Gladstone et al./Science (2016)

    图片 2冥王星迄今为止最清楚的照片,心形清晰可见。图片来源:NASA

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    一年前,冥王星不过是美国航空航天局(NASA)新视野号探测器(New Horizons)相机里拍到的一个明亮光点,看上去与克莱德·汤博(Clyde Tombaugh)自1930年发现这颗当时所谓的第九大行星以来,它在望远镜里一贯的模样并没有太大的不同。

    一 

    历经85年,当初的白点变成了上面这张图。冥王星上最显眼的特征是一个心形的淡色结构,这可能意味着这里的冰含量比较高。

    图片 485年前的图像,和今天的图像。图片来源:NASA

    图① 这是7月12日“新视野”号搭载的可见—红外成像光谱仪对冥王星的红外线成像。数据显示,冥王星表面覆盖着大量的甲烷冰,它们在不同区域的分布有明显差异。左图中不同颜色代表不同的红外波段:蓝色对应于甲烷冰吸收强度中等的波段;绿色对应于甲烷冰完全不吸收的波段;红色对应于甲烷冰严重吸收的波段。可以看出,冥王星表面的甲烷冰吸收从北极向南极逐渐增强。

    然而本周,在《科学》(Science)期刊上,新视野号科学家首次发表了一组细致全面的科学论文,详细描述了去年夏天新视野号飞掠冥王星所取得的成果。来自美国西南研究院的新视野号首席研究员艾伦·斯特恩(Alan Stern)说,“这5篇细致入微的论文彻底改变了我们对于冥王星的认识——揭示了这颗前‘第九大行星’的真实面貌,有着多样和活跃的地质活动,奇特的表面化学构成,复杂的大气层,与太阳谜一般的相互作用,还有迷人的小卫星系统。”

    但这张图不光是好看,它还意味着冥王星上是有地质活动的,并不是一块死石头。除了心形之外,冥王星还拥有一个昵称“鲸鱼”的结构,还有很多其他复杂的斑纹。

    图片 5冥王星上的地质结构。图片来源:NASA

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    经过长达9年半、近48亿千米的太空旅行,新视野号探测器于2015年7月14日飞速掠过冥王星。新视野号上的7台科学仪器记录了大约50 GB的数据,存储在了探测器的数据记录仪中,其中绝大多数都是飞掠前后最忙碌的9天内采集的。

    冥王星有大气层,所以此前精确测量起来有困难。此次新视野号获得的最新数据是,冥王星直径为2370 /-20千米,比之前的结果稍大一些;阋神星为2336 /-12千米。于是冥王星保住了柯伊伯带最大天体的地位(然并卵,还是不能恢复行星地位)。

    图片 7冥王星和冥卫一与地球大小的对比。图片来源:NASA

    图② 这是冥王星赤道附近一小块区域的照片,可以轻易分辨不到1.6公里宽的结构。图片中可以看到一条高达3500米的山脉。

    第一张近距离照片揭露了“镶嵌”于冥王星地表的一大块心形特征,向科学家透露了这样一个信息,这一类“全新”的行星级天体,也就是遥远而又神秘的、被称为太阳系“第三地带”的柯伊伯带中首次被近距离探测的最大、最明亮的天体,很可能远比理论模型之前的预言要更加有趣和令人困惑。

    冥王星直径大于预期,意味着它的密度小于预期,也就意味着它所含的冰比预想的更多。这还意味着冥王星的大气要比预期稀薄;对流层要比模型预言的更浅。

    图片 8艺术家构想的冥王星表面,高悬的是冥卫一。图片来源:NASA

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    图片 10上图是新视野号拍摄的冥王星表面非正式命名为斯普特尼克平原的冰原,下图则是冥卫一卡戎表面非正式命名为武尔坎平原的地形。图片来源:NASA/JHUAPL/SwRI

    化学成分测试表明冥王星拥有一个极冠,由甲烷和氮冰构成,和赤道区域截然不同。

    图片 11但不管成分如何,它看起来就像个锅……图片来源:窗敲雨

    图③ 7月13日在距离卡戎46.6万公里的地方,“新视野”号上的远程勘测成像仪拍下的照片。图片右上角,沿着卡戎弯曲的边缘是一条约7—9公里深的峡谷。图片来源 NASA官网

    《科学》上新发表的一系列论文证明了这一点,其中最重要的结果罗列如下:

    探测器还发现有很多离子氮从冥王星上逃逸出来,比预料中的快很多。这要么意味着大气逃逸率比预想的高,要么意味着有什么别的机制在起作用。

    图片 122006年1月19日,新视野号从地球上发射——这已经是9年前了。图片来源:NASA

    在与冥王星的亲密接触中,“新视野”号与这颗矮行星表面的最近距离是12500公里。如果以这么近的距离飞掠地球,将看到地表的高楼大厦。而美国国家航空航天局最新公布的探测结果显示,“新视野”号看到了冥王星上的冰山。

    1. 对冥王星地表陨击坑计数而测定年代的方法表明,冥王星在过去40亿年里始终存在着地质活动。此外,被非正式命名为斯普特尼克平原的冥王星地表特征,即一块比美国得克萨斯州还大的冰原,不存在任何能够检测到的陨击坑,因此它的地质年龄估计相当年轻,不会超过1000万年。  
    2. 冥卫一卡戎则拥有相当古老的地表。举例来说,冥卫一赤道区域被非正式命名为武尔坎平原(Vulcan Planum)的广阔平坦地貌,很可能是大约40亿年前喷发到卡戎表面的巨大冰火山“熔岩”流。这些“熔岩”流很可能与卡戎地下海洋的冻结有关,这一海洋的冻结导致了卡戎地壳的全球性破裂。  
    3. 冥王星表面的化学组分分布惊人地复杂,这为理解冥王星的气候和地质历史提出了诸多谜团。冥王星表面化学组分的挥发,是外太阳系其他地方前所未见的。  
    4. 冥王星上层大气的温度(约为20℃)远远低于此前地面研究得出的结论,对于冥王星大气逃逸率有着重大影响。为什么冥王星高层大气如此低温,仍然是谜。  
    5. 冥王星大气中一些重要气体(包括氮气、甲烷、乙炔、乙烯和乙烷)的组分分布随高度的变化,首次被测量出来。  
    6. 形成冥王星大气雾霾层的可能机制也头一次被人发现。这一机制涉及到大气重力波对雾霾颗粒的汇聚作用,而大气重力波则是由风吹过冥王星上的山地地形而产生的。  
    7. 飞掠之前,冥王星4颗小卫星的存在使得人们担心冥王星系统中存在对新视野号有威胁的物质碎屑。但新视野号上的学生制宇宙尘埃计数器在飞掠前后的5天内只记录到一粒尘埃颗粒。这与外太阳系开阔空间内尘埃颗粒的密度(每立方千米大约1.5粒尘埃)相类似,表明冥王星周围区域其实并没有充斥着物质碎屑。  
    8. 新视野号上的带电粒子设备揭示,太阳风与冥王星大气之间相互作用的区域局限在冥王星向阳面大约6倍冥王星半径以内,也就是大约7000千米以内。这一范围要比飞掠前人们的预测小得多,可能的原因在于冥王星大气逃逸率比预期减低了不少。  
    9. 冥王星小卫星的高反照率(大约50%到80%),与柯伊伯带常见小天体较低的反照率(大约5%到20%)截然不同。这一差异进一步支持了如下想法,即这些小卫星并非俘获自柯伊伯带小天体,而是在一场巨大的天体碰撞之后,在由此产生的物质盘中聚积形成的——正是这场天体碰撞形成了整个冥王星卫星体系。

    新视野号关注的不只有冥王星, 还有冥卫一(卡戎)。它发现冥卫一北极有一大片黑色区域,似乎甲烷含量更低;它的赤道上还有一个巨大的撞击坑。

    图片 13冥卫一的近照。图片来源:NASA

    北京时间7月16日凌晨,美国国家航空航天局发布了刚刚从“新视野”号接收到的数据。人类看到了冥卫一卡戎、冥卫三许德拉的近照。对冥王星的红外成像则显示出这颗冰冻天体表面甲烷冰的不同分布。但最让人激动的,是迄今最清晰的冥王星光学照片。在这张近距离飞掠前1个半小时拍摄的照片上,冥王星心形区域的左下角隆起一条高达3500米的山脉。科学家推测,这是在不到1亿年前形成的年轻地貌。

    地质学论文第一作者、NASA艾姆斯研究中心的杰夫·莫尔(Jeff Moore)说,“近距离观察冥王星和冥卫一卡戎(Charon),已经导致我们彻底重新评估了对这样一个问题的思考,即什么样的地质活动才能够在太阳系如此遥远区域的孤独行星级天体上持续至今,而我们先前以为这样的天体自柯伊伯带形成以来就几乎不再发生变化了。”

    飞掠冥王星标志着人类终于拜访了旧太阳系所有9个行星。太阳系太空探索的第一阶段到此结束,接下来就该派人去了。

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    这一发现让美国科学家惊喜。“新视野”号探测项目首席科学家阿兰:斯特恩认为,这片山脉一定是由水冰基岩构成,因为冥王星表面相对较薄的甲烷、一氧化碳和氮冰层不够坚硬,无法形成高山地质。“新视野”号地质地球物理及成像团队的杰夫:摩尔则表示,这是迄今在太阳系看到的最年轻的地貌之一。这条仅仅占据冥王星表面不到1%面积的山脉,显示出这片区域活跃的地质活动。

    研究冥王星化学成分的科学家说,冥王星地貌的多样性源于亿万年来高度易挥发的甲烷冰、氮冰和一氧化碳冰与惰性的水冰之间的相互作用。化学成分分析论文的第一作者、美国洛威尔天文台的威尔·葛兰地(Will Grundy)说,“我们看到了冥王星上易挥发的冰在地理分布上的变化,表明在升华和凝结之间存在迷人的循环。这些循环远比地球上的类似循环丰富得多,在地球上其实只有一种物质在凝结和蒸发,那就是水。而在冥王星上,至少有3种物质在循环,虽然它们相互作用的方式我们还没有完全理解,但我们确凿无疑地看到了它们的作用遍布于冥王星的表面。”

    八点五

    新视野号上载着冥王星发现者克莱德·汤博的骨灰,这让他成为了有史以来飞得最远的人、离冥王星最近的人以及相对太阳而言最慢的人。但其实这件事情我们九年前就知道了,所以只能算半条。

    图片 15装有克莱德·汤博骨灰的盒子,以及他的青年时期的照片。盒子上是一段简短的墓志铭,特别注明了他的一个身份——“段子手”。图片来源:NASA

    今天(7月15日)早上,新视野号将重新和地球取得联系。届时,我们就能知道这个小家伙是否活着飞掠冥王星了。从早8点开始,果壳网将继续滚动直播这一历史性事件。请关注我们的直播帖: ,或微博话题#新视野号飞掠冥王星#。

    杰夫:摩尔认为,这片区域本应由于几十亿年间遭到陨石撞击而伤痕累累。但“新视野”号发回的图片却完全不是这样,这片区域没有出现任何陨坑。他推断,是最近的地质活动改变了这里的面貌,抹去了陨石撞击的证据。

    图片 16这幅色彩增强图像展现了冥王星地表的多样性。左下方,古老的地形遍布陨击坑,上面覆盖着深色发红的托林。右上方,易挥发的冰填充了斯普特尼克平原,改变了地表,创造出了杂乱排布的冰山。易挥发的冰还填充了附近少数较深的陨击坑,而在一些区域,易挥发的冰面上散布着升华而形成的小坑。图片来源:NASA/JHUAPL/SwRI

    类似的地表特征也呈现在冥卫一卡戎的表面。“新视野”号上远程勘测成像仪拍摄的图片发现,这颗冥王星的“双子星”表面同样很少有陨坑,即使是在卡戎赤道以南也是如此。科学家本以为阳光倾斜地照射在这里,会让表面地形投出阴影而容易辨识。

    而在地表之上,科学家发现冥王星的大气包含多层雾霾,而且要比之前预期的更寒冷,也更致密。这影响了冥王星高层大气逃逸到太空的方式,也影响了大气分子与来自太阳的带电粒子流(即太阳风)相互作用的方式。粒子及等离子体分析论文的第一作者、美国科罗拉多大学博尔德分校的弗朗·巴格纳尔(Fran Bagenal)说,“我们发现,新视野号飞掠之前所作的估算大大高估了物质从冥王星大气中损失的速度。先前我们认为,冥王星的大气正在流失,就像一颗彗星拖着尾巴,但实际上,它的大气流失率更像是地球的大气层。”

    周礼勇同样用“惊喜”来形容他的心情。“驱动冥王星地质运动的能量来源令人好奇”。这位南京大学天文与空间科学学院教授解释说,太阳系诞生于45亿年前,大部分太阳系行星形成于之后的1亿年内,而冥王星等柯伊伯带的天体最晚于35亿年前形成并演化至当前的位置。行星地质活动的能量大都来自这期间获得的能量,地球、金星都是如此。“一般来说,天体个头越小,能量流失越快。很难想象冥王星在形成30多亿年后,还有支撑地质活动的内部能量。”周礼勇说,即使是个头比冥王星略大的月球,研究认为经过几十亿年的演化,目前已经是一颗接近静态的天体,几乎没有地质活动。

    美国西南研究院的兰迪·格莱斯顿(Randy Gladstone)是描述冥王星大气发现的科学论文的第一作者。他补充说,“我们还发现,从冥王星大气中逃逸的主要气体是甲烷,而非氮气。这实在令人惊讶,因为冥王星地表附近,大气中超过99%都是氮气。”

    潮汐力可能是背后的原因吗?类似的地质变化曾在木卫二上演。木星及其他卫星在木卫二表面产生的潮汐力,使这颗冰质卫星迅速升温,使冰和液态水如同火山般喷发。“固体伸缩产生的潮汐力较弱,需要较大质量天体参与。目前看来冥王星并不具备这个条件。”南京大学地球科学与工程学院教授惠鹤九说。

    科学家还在分析冥王星小卫星的首批近照。这些小卫星发现于2005年到2012年间,其中冥卫二(Nix)和冥卫三(Hydra)较大,直径约为40千米,冥卫四(Kerberos)和冥卫五(Styx)较小,直径仅有10千米。任务科学家进一步观察到,这些小卫星的自转速率高度不正常,自转轴指向也异常不统一,此外它们冰质地表的亮度和颜色也与冥王星和冥卫一截然不同。

    “新视野”号探测任务科学家约翰:斯潘塞推测,混合在岩石和冰之中的放射性元素可能扮演了重要角色。与冥王星大小相仿的月球可以作为参考。“放射性元素钾、钍、铀的衰变,曾经为月球一部分的岩浆活动和构造运动提供了热源。”国家天文台副研究员李菡说。

    他们已经找到证据表明,其中一些小卫星由更小的天体并合而来,而且它们地表的年龄可以追溯到至少40亿年以前。关于冥王星小卫星的论文的第一作者、美国约翰斯·霍普金斯大学应用物理实验室的新视野号项目科学家哈尔·韦弗(Hal Weaver)说,“这两个结果强化了这样一个假说,即这些小卫星是创造出冥王星-冥卫一双行星系统的那场天体碰撞事件的产物。”

    但中国科学院月球与深空探测重点实验室副研究员郑永春认为,放射性元素多为重元素。它们主要分布在太阳系靠内的区域。遥远的冥王星能否储备足够的放射性元素值得探讨。“而且冥王星主要由氮冰、甲烷冰、水冰组成,岩石含量本身就比月球低,放射性元素含量可能比预期的还要低得多,不足以驱动地质运动”。

    到目前为止,新视野号飞掠冥王星所获取的数据大约半数已经传回了地球。由于距离遥远,无线电信号以光速从新视野号传回地球也需要花费近5个小时的时间。其他数据预计将在2016年年底全部传回地球。

    “之前对于行星地质运动的了解,主要是基于硅酸盐物质构成的行星,比如地球。”惠鹤九说,作为一颗固态冰质天体,冥王星与类地行星和类木行星都完全不同,对其地质运动的探索很有可能改变我们的既有认识。“我们也期待冥王星刷新我们对太阳系天体的认识。” 惠鹤九说。

    NASA总部的新视野号项目科学家柯特·尼尔伯(Curt Niebur)说,“这正是我们要去探索的原因所在。来自新视野号的许多发现代表了人类最美好的一面,激励着我们在探索太阳系及更遥远宇宙的旅途上继续前行。”(编辑:Steed)

    (科技日报北京7月16日电)

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