谜底揭晓：冥王星表面巨大心形平原源自于天体斜向碰撞

由伯尔尼大学和国家行星研究中心（NCCR PlanetS）成员领导的一个国际天体物理学家小组终于揭开了冥王星表面巨大心形特征的神秘面纱。该研究小组首次通过数值模拟成功地再现了这一不寻常的形状，并将其归因于一次巨大而缓慢的斜角撞击。

艺术再现冥王星受到巨大而缓慢的撞击，导致其表面出现心形结构。资料来源：伯尔尼大学，Thibaut Roger 编辑

自从2015年美国国家航空航天局（NASA）"新视野号"（New Horizons）任务的相机在矮行星冥王星表面发现了一个巨大的心形结构以来，这个"心脏"就因其独特的形状、地质成分和海拔高度而让科学家们百思不得其解。瑞士伯尔尼大学和亚利桑那大学的科学家利用数值模拟研究了冥王星心脏表面特征的西部水滴形部分--斯普特尼克平原的起源。

根据他们的研究，冥王星的早期历史以一次形成斯普特尼克平原的大灾难事件为标志：与一个直径略大于400英里的行星体相撞，从北到南大致相当于亚利桑那州的大小。研究小组的研究结果发表在《自然-天文学》（Nature Astronomy）杂志上，研究结果还表明，冥王星的内部结构与之前假设的不同，表明冥王星不存在地下海洋。

亚利桑那大学月球与行星实验室的行星科学家阿德妮-丹顿（Adeene Denton）是这篇论文的共同作者，她说："斯普特尼克平原的形成为了解冥王星历史的最早时期提供了一个重要窗口。通过扩大我们的调查范围，将更多不同寻常的形成情景纳入其中，我们了解到冥王星演化的一些全新可能性，这些可能性也可能适用于柯伊伯带的其他天体"。

2015年7月14日，美国宇航局"新视野"号太空探测器拍摄的冥王星景象。资料来源：美国国家航空航天局/约翰-霍普金斯大学应用物理实验室/西南研究所

分裂的心

这颗"心脏"一经发现就立即吸引了公众的目光，也引起了科学家们的兴趣，因为它被一种高反照率材料所覆盖，这种材料比周围环境反射更多的光，从而产生了更白的颜色。然而，它并不是由单一元素构成的。斯普特尼克平原的面积约为 750 x 1250 英里，相当于欧洲或美国的四分之一。然而，令人震惊的是，这个区域的海拔比冥王星表面的大部分地区低大约 2.5 英里。

"冥王星表面绝大部分由甲烷冰及其衍生物组成，覆盖着水冰地壳，而行星心则主要充满了氮冰，由于海拔较低，这些氮冰很可能在撞击后迅速积累起来，"该研究的第一作者、伯尔尼大学副研究员哈里-巴兰坦说。心脏的东部也覆盖着一层类似但薄得多的氮冰，科学家们还不清楚氮冰的来源，但很可能与斯普特尼克平原有关。

斜向影响

伯尔尼大学的马丁-尤齐（Martin Jutzi）是这项研究的发起人，他表示，斯普特尼克平原拉长的形状及其位于赤道的位置强烈表明，这次撞击不是直接的正面碰撞，而是斜撞。与世界上其他一些研究小组一样，该研究小组使用平滑粒子流体力学模拟软件，通过改变冥王星及其撞击物的成分，以及撞击物的速度和角度，以数字方式再现了这种撞击。这些模拟证实了科学家们对撞击斜角的猜测，并确定了撞击物的成分。

巴兰坦说："冥王星的内核非常寒冷，尽管撞击的温度很高，但岩石仍然非常坚硬，并没有融化，而且由于撞击的角度和速度较低，撞击器的核心并没有沉入冥王星的内核，而是完好无损地留在了冥王星的内核上。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残留表面特征，而不像美国宇航局的新视野号探测器在2015年飞越冥王星时观察到的泪滴形状。"

月球与行星实验室教授、该研究合著者埃里克-阿斯豪格（Erik Asphaug）说："我们习惯于把行星碰撞看成是无比激烈的事件，在这种情况下，除了能量、动量和密度等因素，你可以忽略其他细节。在遥远的太阳系中，速度比靠近太阳的地方慢得多，而且固态冰很坚固，所以你的计算必须更加精确。乐趣就从这里开始"。他的团队自2011年以来一直与瑞士同事合作，探索行星"飞溅"的概念，以解释地球月球远侧的特征等。

冥王星上没有地表下海洋

目前的研究还为冥王星的内部结构提供了新的线索。事实上，类似模拟的巨大撞击更有可能发生在冥王星历史的早期，而不是近期。然而，这也带来了一个问题：根据物理定律，像斯普特尼克平原这样的巨大凹陷会随着时间的推移慢慢向矮行星的极点漂移，因为它的质量小于周围的环境。然而，它却一直停留在赤道附近。之前的理论解释是冥王星地表下有液态水海洋，与外太阳系的其他几个行星体类似。根据这一假设，冥王星的冰壳在斯普特尼克平原区域会变薄，导致海洋向上隆起，由于液态水的密度比冰大，导致质量过剩，从而诱发向赤道迁移。

新研究提供了另一种视角，作者指出，在模拟中，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时，就会造成局部质量过剩，这就可以解释为什么冥王星在没有地表下海洋或最多只有很薄的海洋的情况下向赤道迁移。

丹顿说，冥王星心形特征的这种新颖而富有创造性的起源假说可能会让人们更好地了解这颗矮行星的起源。

编译自/scitechdaily