soh logo
ad image
冥王星(public domain)
冥王星(public domain)

高冷恐怖的冥王星为何有颗驿动的“心”

【希望之声2020年10月23日】(编辑:田喆)宇宙大爆炸以来,在太阳系里,水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星,这八大行星,仿佛一个默契的大家庭,绕着太阳这颗耀眼的大火球,在各自的轨道上互不干涉,互不阻挠地旋转了几十亿年。

然而,同时有一个星球也在这太阳系的黑暗深处,缄默沉静了几十亿年。直到1930年2月18日,天文学家ClydeTombaugh,在这无尽的漆黑中找到了它——冥王星Pluto,在往后的76年里,冥王星与现在的八大行星在一起,称为九大行星,但后来被降为矮行星了。

冥王星的发现是对海王星外天体的首次探索。因为海王星外的世界离地球非常遥远,大约44.96亿公里,这个地方寒冷、黑暗,充满了许多未知,所以我们一开始对冥王星的误解最深。宇宙之中有各种各样的天体,环境也比较复杂。我们都知道宇宙之中有八颗行星,但事实上,科学家很早之前就发现了冥王星,并把它列入了九大行星的名单之中。自从上个世纪冥王星被发现以后,一直给人一种遥远而神秘的印象。

希腊神话中,冥王普鲁托(Pluto)是地底世界(冥界)之神,从名字来看,冥王星就是一个冰冷恐怖的星球。它的运行轨道与太阳的平均距离大约59亿公里,因此许多人猜测这颗星球表面一直处于黑暗。

2016年1月9日,为了探索冥王星及其最大的卫星卡戎和位于柯依柏带的小行星群,一架名为“新视野号”的探测器在佛罗里达州,被发射向了宇宙深处。

在新视野号发回的冥王星照片中,最引人瞩目的亮点无疑是那个巨大的心形地貌。这颗聚焦着全世界目光的“冥王星之心”,甚至可能像木星的大红斑或者土星的行星环那样,就此成为人们对这颗星球的经典印象。

冥王星( NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute)
冥王星( NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute)

这么一个鬼斧神工的地貌究竟是如何形成的?新视野号团队的研究成员凯里·利瑟(Carey Lisse)在接受采访时这样告诉媒体:它可能是一片广袤的“雪原”。只不过此雪非彼雪——新视野号的遥感探测表明,这片区域的主要成分是氮,而并非像地球上的雪那样,主要是由水构成。

在捷报频传的惊喜之余,或许会有这么3个问题萦绕着你我的好奇心:为什么科学家倾向于把“冥王星之心”解释为雪原?冥王星上又怎么会下雪?为什么下雪后恰好形成这么个心形

当揭开太阳系早期历史时,你就会发现,冥王星上会发生些什么事情,其实早在46亿年前它诞生之时,就“冥冥注定”地写在这颗星球内在的历史之中了。

新视野号在飞掠冥王星时,半定量地测定了它表面的化学组成——主要是固体的氮、冰、以及少量的甲烷和一氧化碳。这些成分,可能和不少人印象中的冥王星形象有一些差异。毕竟,在最直观的印象里,冥王星不应该是个石头疙瘩才对吗?

现实情况是:不光冥王星,甚至整个柯伊伯带充斥着的无数大大小小的天体,主要成分都不外乎是冰、甲烷、氨气这类熔点极低、在地球的常温下甚至不可能维持固态的的物质。而经典印象中的“石头”,在柯伊伯带的物质比例里反而不占优势。物质成分的显著分化,简直就如同被人为精挑细选过一样。如果好奇这是怎么回事的话,不妨把时间拨回到太阳系历史的原点。答案,就在这里。

我们知道,当太阳尚未形成之时,整个太阳系只是一团混沌的原始星云,没有明显的引力或者温度中心,物质分布要相对平均得多。后来,星云里发生了引力坍缩,太阳出现了。这个灼热的大火球一经诞生,便形成了一个辐射范围巨大的温度梯度场。这个温场,在46亿年的浩瀚时空中雄辩地捍卫着这么一句大实话——越靠近太阳,温度越高。

于是呢,那些离太阳比较近的低熔沸点物质(像上面提到的冰啊、甲烷啊、氨啊…… 等等)就被统统蒸发成气态,并被幼年太阳强烈的太阳风给吹向外侧空间。太阳风一直吹着这些气体分子远离太阳,直到温度低于它们凝固点的地方,气体才纷纷结晶凝固,凝华为无数的尘埃。从气体变为固体导致比重增加。当太阳风已经不足以再推动这些变重的尘埃时,它们便大量聚集下来。

就这样,在很长一段时间内,年轻的太阳扮演的便是这么一个整理者的角色。它用自身的温度,将围绕它旋转的尘埃盘分出了一个截然分明的带序——近处,由熔点高、比重大的岩石类物质组成,是为岩屑带;而外侧的,则由这些在熔点低、比重小的物质组成,是为冰尘带。

当不同带别“尘埃落定”之后,各个带内的尘埃便互相吸引、碰撞、增生,开始朝着成熟行星的方向一步步演化了。演化的过程是一个正反馈。初步聚合成的物质叫星子。某些星子的质量占据优势,它的引力便可以吸附周边的尘埃,吸附后自身引力变得更大,从而得以吸引更多的物质。不同的星子之间相撞,还会发生质量的直接倍增。那个年代的太阳系俨然就是一场大型滚雪球。滚到最后的结局,大部分尘埃都没有了。取而代之的是,岩屑带里就此多了4个岩石行星:水星、金星、地球、火星;而冰尘带里则诞生了4个气体巨人:木星、土星、天王星、海王星。

冰尘带那些大行星比较霸道。由于它们质量巨大,沿着轨道转上若干圈,那些沿途的大量“小冰块”们,不是被吸附,就是被弹飞(想想新视野号进行引力加速的原理)。这些小行星中,一些被弹到内带,不是被太阳蒸发掉,就是砸向四大岩石行星;而另一些则被弹到了外侧,安顿在了比大行星们更加靠外的地方,也就是柯伊伯带。这便是今天的柯伊伯带主要由大量冰尘物质构成的原因了。

柯伊伯带(public domain)
柯伊伯带(public domain)

在柯伊伯带这个由“被弹飞的家伙们”所组成的区域里,冥王星是(目前已发现的)当之无愧的“老大”。它的体型已经说明了一切——它是为数不多具有球体外观的柯伊伯天体,而球体外观,则是一颗星球的引力大到足以达到静力平衡的标志。这样的星球,将不可避免发生成分的重力分异。

什么是重力分异?地球就是最有代表性的例子。在地球内部,不同的成分严格按照自身的比重大小,从内到外依次排列成截然分明的圈层——从最深处的铁质地核、到镁铁质的地幔、再到硅铝质地壳、以碳为主的地表生物圈,以氮为主的大气层,直至更外侧以游离的氢为主的外层大气。

冥王星的原理跟地球相同。不一样之处在于,作为冰尘带天体,它的整体成分要轻一些。于是,科学家推测它有一个岩石质的“地核”、一个冰质的地幔、以及一个主要由固体氮组成的“地壳”——也就是新视野号当下实际拍摄到的地表图像。

我们知道,只要不是绝对零度,任何物质的表面都不可避免会发生扩散现象。冥王星表面再冷也不例外。比月亮还小的冥王星,它的引力虽然无法清空公转轨道上的其他成员(当年就是这么从行星宝座上被拉下来的),但把地表升华的氮蒸汽吸附在表面,这点小事还是可以做到的。于是,它的表面,好歹也算糊了那么一层稀薄的“大气”。

长期以来,大气氮的凝华速率和固体氮的升华速率之间不免要达到平衡。但是,这个平衡并不是岿然不动的。直观便可想到,最大的影响因素是温度。

观察冥王星的轨道可以发现,它到太阳的距离是会大幅度变化的。冥-日距离的变化,足以让它的地表温度发生显著变化,并进一步调整凝固和升华的平衡。怎么调节呢?暖和一点时,更多的固体氮升华进入大气;冷一点时,更多的氮气凝华落回地壳。瞧,“冥土之雪”就这么产生了。

至于为什么降下来的雪正好形成了心形?老实说,没有人知道。新视野团队在当下阶段给出的可能解释之一是:它是冥王星表面由于小天体撞击而产生的冲击坑。

有人大胆猜测:当氮雪沉降在冥王星高低错落的地表上之后,如果这些未固结的积雪很偶然地受到斜坡失稳或者别的什么内部/外部因素扰动的话,就触发了沉积学行为——雪是密度流,而任何流体都倾向于“水往低处流”。流进并充填陨击坑之后,由于陨击坑的轮廓使然,便恰好形成了心形

冰冷的心并不是永恒的。离太阳更近,它说不定就会化掉,如果再次接受天体碰撞,它则可能会碎掉,但故事巧就巧在——人类的信使跨越了将近10年,偏偏在它存在的这个时间节点里,与它完成了最终的相遇。万物之理的必然、阴错阳差的偶然;在时光中交织成了这个在惊喜中带着些许浪漫的故事。

纵然时光流逝,纵然天地沧桑,已经发生的故事却是永远不会改变的——冥王星之心,它是某一场邂逅曾经存在过的证明;它是某位伟大的旅人,曾经到访至此的证明,他就是当初发现者ClydeTombaugh

冥王星的发现者(NASA)
冥王星的发现者ClydeTombaugh(NASA)

责任编辑:田喆

本文章或节目经希望之声编辑制作,转载请注明希望之声并包含原文标题及链接。