飞过冥王星8个月后科学家都发现了什么?

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2015 年 7 月 14 日,新视野号近距离飞掠了冥王星,最近距离只有 1 万多公里。现在 8 个月过去了,科学家从新视野号发回的数据里有了哪些惊人发现?

飞过冥王星8个月后科学家都发现了什么?

 

新视野号拍摄的冥王星高分辨率照片,其中上部 " 心形 " 的史泼尼克平原拥有丰富的氮、一氧化碳和甲烷。

 

就在一年前,冥王星还是新视野号相机镜头里不起眼的明亮斑点,与 1930 年克莱德 · 汤博发现它时没什么两样。

但就在这一周的《科学》杂志上,新视野号团队的科学家们发表了第一套综合性论文,来描述去年 7 月新视野号近距离飞掠冥王星系统得到的最新探测结果。

来自美国西南研究院 ( SwRI ) 、新视野号首席科学家阿兰 · 斯特恩 ( Alan Stern ) 介绍说:" 这五篇论文完全改变了以往我们对冥王星的认识,新视野号揭示这颗 " 前第九大行星" 是一个拥有多种地貌、地质活动相当活跃的星球。冥王星表面物质成分令人惊异,且有一个与太阳交互作用复杂的大气层,以及一群有趣的小卫星。"

去年 7 月 14 日,在深空飞行 9 年,旅途长达 30 亿英里 ( 近 50 亿公里 ) 的新视野号抵达了它最重要的目标天体 -- 冥王星。新视野号也是迄今从地球出发速度最快的探测器,离开地球时速度达到 16.26 千米 / 秒,在发射后 9 小时就飞过了月球轨道,而阿波罗飞船需要三天。

 

 

飞过冥王星8个月后科学家都发现了什么?

 

右下角是冥王星上古老的、布满陨石坑的地形,呈现暗红色是因为上面覆盖有托林 ( tholins ) 这种物质。整幅图区域宽 420 公里,高 225 公里。

 

新视野号携带的七项仪器获得了冥王星约 50Gb 的科学数据,这些数据绝大多数是在飞掠前后九天的时间里获得的。

冥王星的第一张近距离照片显示了其表面拥有一个巨大的 " 心形 " 地貌特征,向科学家展示了这颗矮行星的冰封世界。这也是人类首次 " 涉足 " 这片遥远的太阳系边缘地带 -- 柯伊伯带,而冥王星正是柯伊伯带里迄今发现的最大的天体,这些天体比之前我们建立模型预测的更有趣,也更令人迷惑。

在这之前,科学家们认为柯伊伯带的天体自形成以来应该变化不大。但新视野号近距离观测冥王星与冥卫一卡戎 ( Charon ) 的结果却让科学家不得不重新思考,究竟什么样的地质活动可以在这些遥远的天体上持续这么久。

通过分析冥王星表面物质的成分,科学家们认为今天冥王星复杂多样的地貌,源自亿万年来冥王星表面物质的持续相互作用。这些物质包括易挥发移动的甲烷冰、氮冰与一氧化碳冰,以及在冥王星低温表面较稳定的水冰。

来自洛厄尔天文台的科学家、论文第一作者威尔 · 格兰迪 ( Will Grundy ) 介绍说:" 我们注意到表面易挥发冰类物质的分布变化,这说明冥王星有奇妙的挥发 - 冷凝循环过程。相比较地球上的水循环,冥王星的这个物质循环过程更丰富,至少有三种物质参与,并且这个相互作用过程我们现在还没有弄明白,但是我们肯定它们的相互作用让冥王星整个表面发生了变化。"

 

 

飞过冥王星8个月后科学家都发现了什么?

 

新视野号拍摄的雾霾状的冥王星大气层,冥王星大气呈层状分布,照片里大约分 20 层,并横向延伸数百公里。

 

科学家们也发现冥王星上空分层的雾霭状大气,并且大气层比预期更冷更稠密,这影响到冥王星的上层大气如何逃逸到宇宙空间,以及如何与太阳风中的带电粒子流相互作用。

在这之前,科学家认为从冥王星大气逃逸损失的物质会非常多,就像彗星挥发的彗尾一样。但实际上,冥王星大气物质逃逸速度并不快,反倒和我们地球大气层很相似。科学家们发现冥王星大气逃逸的气体主要是甲烷,而不是氮气,这是相当令人惊讶的,因为冥王星近表大气有 99% 的组成是氮气。

科学家也对冥王星的四颗小卫星进行了首次近距离成像分析,这些卫星是在 2005 年至 2012 年间发现的。其中冥卫二尼克斯 ( Nix ) 和冥卫三许德拉 ( Hydra ) 直径约 40 千米,冥卫四科伯罗司 ( Kerberos ) 与冥卫五斯堤克斯 ( Styx ) 直径约 10 千米。科学家发现这些小卫星有异常高且不规律的旋转速度,以及不寻常的极向一致性。这些卫星都有明亮的冰层表面,且颜色与冥王星和冥卫一卡戎很不一样。

有证据证明其中几颗小卫星是由早期更小的碎片合并而成,并且表面地质年龄至少已有 40 亿年。这两条探测结果支持科学家此前对这些小卫星形成的假设:在冥王星 - 冥卫一双星系统形成期间,这些小卫星由很多碎片碰撞形成。

目前,科学家已接收到一半新视野号飞掠冥王星所获得数据,这些数据以无线电信号的形式光速传回地球需要五个小时,所有冥王星的科学数据将在 2016 年底全部发回。

 

 

飞过冥王星8个月后科学家都发现了什么?

 

上图为冥王星 " 心形 " 的史泼尼克平原局部高清特写,分辨率 160 米 / 像素 ; 下图为位于冥卫一赤道上,武尔坎平原附近的地貌,分辨率 320 米 / 像素。

 

以下为新视野号的九大新发现:

01. 由表面撞击坑数量计算,冥王星在过去 40 亿年里一直处于地质活跃状态。此外,冥王星心形区域里光滑的 " 史泼尼克平原 ( Sputnik Planum ) " 没有探测到任何陨石坑,地质年龄非常年轻,不超过 1000 万年。

02. 冥王星最大卫星冥卫一卡戎拥有一个古老的表面。例如,卡戎赤道附近的武尔坎平原 ( Vulcan Planum ) 可能是在 40 亿年前,由大量冰火的喷发物流动形成的。这些流动的喷发物源自卡戎远古时期的地下海洋,从地壳破裂处喷发出来。

03. 冥王星表面物质呈现区域性分布特征:有些区域氮较为丰富,有些甲烷较为丰富,而有些区域水冰分布较为集中,这样的发现已经非常让人惊讶,同时这种分布也为了解冥王星地质历史与气候变化创建了拼图。在外太阳系,冥王星表面的物质变化是前所未有的。

04. 冥王星上层大气温度比之前预测的要低很多,这对冥王星大气逃逸速率有重要影响,但为什么冥王星大气层比预想的要冷仍是一个谜。

05. 新视野号对冥王星大气中许多重要组成成分 ( 包括分子氮、甲烷、乙炔、乙烯、乙烷 ) 进行了测量,并首次绘制出高度函数。

06. 同样也是首次,冥王星雾霾状大气层一种可能的形成机制被发现。这种机制涉及由浮力波影响的大气中混浊颗粒的浓度,由风吹过冥王星山区形成。

07. 在飞掠冥王星前,因为发现了其他小型卫星,引发了对冥王星系统中可能存在冰与岩石碎片的担忧。但是新视野号携带的尘埃计数器在飞掠前五天内,只发现了零星的尘埃粒子,这表明冥王星周围区域实际上不是充满了碎片。

08. 新视野号揭示了太阳风和冥王星大气之间的相互作用区域,在向着太阳的一面只有 7000 公里,不到冥王星半径的 6 倍,这比之前预期的要小的多。这可能是因为冥王星大气逃逸速率低于此前建模得到的结果,而之前建立的模型源于对冥王星紫外大气掩星的观测数据。

09. 冥王星四颗小卫星拥有较高的反照率,大约 50%~80%。这与柯伊伯带上其他小天体较低的反照率非常不同,其他小天体反照率只有 5%~20%。这说明了这四颗小卫星并不是冥王星从柯伊伯带里俘获的,而是在早期形成整个冥王星卫星系统的过程中,大型撞击产生的物质盘聚合形成。

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日志标题:《飞过冥王星8个月后科学家都发现了什么?》
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