天体物理学家解开冥王星表面心形特征之谜

由伯尔尼大学和国家研究能力中心(NCCR)PlanetS成员领导的国际天体物理学家团队最终解开了冥王星表面如何形成巨大心形特征的谜团。该团队是第一个通过数值模拟成功重现这种不寻常形状的团队，并将其归因于巨大且缓慢的斜角撞击。

自从2015年美国宇航局新视野号任务的摄像机在矮行星冥王星表面发现了一个巨大的心形结构以来，这颗“心”因其独特的形状、地质成分和海拔而一直困扰着科学家。来自伯尔尼大学(包括NCCRPlanetS的几位成员)和图森亚利桑那大学的科学家团队利用数值模拟来研究斯普特尼克平原(冥王星心脏表面特征的西部泪滴状部分)的起源。

根据他们的研究，冥王星的早期历史以一场形成人造卫星平原的灾难性事件为标志：与直径约700公里的行星体相撞，大约是瑞士从东到西面积的两倍。该团队最近发表在《自然天文学》上的研究结果还表明，冥王星的内部结构与之前的假设不同，表明不存在地下海洋。

一颗分裂的心

这颗心脏也被称为“汤博区”，一经发现立即引起了公众的关注。但它也立即引起了科学家的兴趣，因为它被高反照率材料覆盖，比周围环境反射更多的光，从而产生更白的颜色。

然而，心脏并不是由单一元素组成的。人造卫星平原(西部)面积为1,200x2,000公里，相当于欧洲或美国的四分之一。然而，引人注目的是，该区域的海拔比冥王星表面大部分区域低三到四公里。

哈利·巴兰坦博士解释说：“人造卫星平原的明亮外观是因为它主要充满了白色的氮冰，这些冰通过移动和对流使表面不断平滑。由于海拔较低，这些氮很可能在撞击后迅速积累。”来自伯尔尼大学，该研究的主要作者。

心脏的东部也覆盖着一层类似但更薄的氮冰层，科学家仍不清楚其起源，但可能与人造卫星平原有关。

倾斜冲击

发起这项研究的伯尔尼大学马丁·朱茨博士指出：“人造卫星平原的细长形状强烈表明，这次撞击不是直接的正面碰撞，而是倾斜的碰撞。”

因此，该团队与世界各地的其他团队一样，使用平滑粒子流体动力学(SPH)模拟软件以数字方式重现此类撞击，改变冥王星及其撞击器的成分，以及撞击器的速度和角度。这些模拟证实了科学家对撞击斜角的怀疑，并确定了撞击体的成分。

“冥王星的核心非常冷，以至于尽管撞击产生热量，岩石仍然非常坚硬并且没有融化，并且由于撞击角度和低速度，撞击器的核心没有沉入冥王星的核心，而是保持完整巴兰坦解释道。

“人造卫星下方的某个地方是另一个巨大天体的残余核心，冥王星从未完全消化它，”来自亚利桑那大学的合著者埃里克·阿斯普豪格补充道。这种核心强度和相对较低的速度是这些模拟成功的关键：较低的强度将导致非常对称的剩余表面特征，看起来不像新视野号观察到的泪滴形状。

“我们习惯于将行星碰撞视为极其激烈的事件，除了能量、动量和密度等之外，你可以忽略其他细节。但在遥远的太阳系中，速度要慢得多，而且固体冰很坚固，所以你计算必须更加精确，这就是乐趣的开始，”Asphaug说。

两个团队有着长期的合作记录，自2011年以来就已经开始探索行星“splats”的想法来解释月球背面的特征等。继月球和冥王星之后，伯尔尼大学团队计划探索其他太阳系外天体的类似场景，例如类似冥王星的矮行星豪美亚。

冥王星上没有地下海洋

目前的研究也为冥王星的内部结构提供了新的线索。事实上，像模拟的那样的巨大撞击更有可能发生在冥王星历史的早期。然而，这带来了一个问题：由于物理定律，像人造卫星平原这样的巨大凹陷预计会随着时间的推移慢慢向矮行星的极地移动，因为它存在质量赤字。但矛盾的是，它却位于赤道附近。

先前的理论解释是，冥王星与太阳系外的其他几个行星体一样，拥有地下液态水海洋。根据之前的解释，冥王星的冰壳在人造卫星平原地区会更薄，导致那里的海洋膨胀，而且由于液态水比冰密度更大，最终会出现质量过剩，导致向赤道迁移。

然而，这项新研究提供了另一种观点。“在我们的模拟中，冥王星的所有原始地幔都被撞击挖掘出来，当撞击者的核心物质溅到冥王星的核心上时，它会产生局部质量过剩，这可以解释在没有地下海洋的情况下向赤道的迁移，或者最多是非常薄，”MartinJutzi解释道。

该研究的合著者、亚利桑那大学的AdeeneDenton博士目前正在进行一项新的研究项目，以估计这种迁移的速度。“冥王星心形特征的这种新颖和创造性的起源可能会导致人们更好地了解冥王星的起源，”她总结道。

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