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冥王星和冥卫一的起源故事被最近的一项研究改写，该研究揭示了它们是由一种独特的“亲吻和捕获”碰撞形成的，这种碰撞违背了传统的科学理论。这一发现强调了冰冻世界的结构完整性，可能为理解行星的形成和演化开辟新的途径。
这幅增强彩色图像的合成图是 2015 年 7 月 14 日美国宇航局的新视野号太空船穿过冥王星系统时拍摄的，拍摄对象是冥王星（右下）和冥卫一（左上）。图片来源：NASA/JHUAPL/SwRI
数十亿年前，在寒冷的外太阳系中，两个冰冻世界相撞。它们并没有在灾难性的撞击中相互毁灭，而是短暂地融合在一起，像天上的雪人一样旋转在一起。最终，它们分开了，但永远被束缚在轨道上。亚利桑那大学的一项新研究表明，这次戏剧性的相遇解释了冥王星及其最大卫星冥卫一的起源，该研究挑战了长期以来的科学理论。
这项研究由亚利桑那大学月球和行星实验室的 NASA 博士后研究员 Adeene Denton 领导，揭示了一种令人惊讶的“亲吻和捕获”机制。这一新发现的过程揭示了行星体是如何形成和演化的。通过考虑一个关键但被忽视的因素——冰冷世界的结构强度——研究人员揭示了一种全新的宇宙碰撞类型。
研究结果于 1 月 6 日发表在《自然地球科学》杂志上。
冥王星和冥卫一在亲吻和捕获过程中的快照。图片来源：Robert Melikyan 和 Adeene Denton
几十年来，科学家们一直认为冥王星异常巨大的卫星冥卫一的形成过程与地球的卫星类似——大规模碰撞之后，流体状物体被拉伸和变形，Denton 说。这种模型对地月系统非常有效，因为碰撞产生的高温和较大的质量意味着碰撞的物体表现得更像流体。然而，当应用于较小、较冷的冥王星-冥卫一系统时，这种方法忽略了一个关键因素：岩石和冰的结构完整性。
“冥王星和冥卫一不同——它们更小、更冷，主要由岩石和冰组成。当我们考虑到这些材料的实际强度时，我们发现了一些完全出乎意料的事情，”Denton 说。
研究团队利用阿尔伯塔大学高性能计算集群上的高级撞击模拟发现，冥王星和原冥卫一在碰撞过程中并没有像橡皮泥一样被拉伸，而是暂时粘在一起，作为一个雪人形物体旋转，然后分离成我们今天观察到的双星系统。双星系统是指两个天体围绕一个共同的质量中心旋转，就像两个花样滑冰运动员手拉手旋转一样。
“大多数行星碰撞场景被归类为‘撞击后逃逸’或‘擦过并合并’。我们发现了一种完全不同的情况——‘亲吻并捕获’场景，天体相撞，短暂粘在一起，然后在保持引力约束的情况下分离，”丹顿说。
“这项研究引人注目的是，用于捕获冥卫一的模型参数最终将其置于正确的轨道上。一举两得，”资深研究作者、月球和行星实验室教授埃里克·阿斯普豪格说。
这项研究还表明，冥王星和冥卫一在碰撞过程中基本保持完整，其大部分原始成分都保留了下来。丹顿说，这挑战了之前的模型，这些模型表明撞击过程中发生了广泛的变形和混合。此外，碰撞过程，包括天体分离时的潮汐摩擦，在两个天体中沉积了大量的内部热量，这可能为冥王星形成地下海洋提供了一种机制，而不需要形成在放射性更强的早期太阳系中——这是一个困扰行星科学家的时间限制。
研究小组已经在计划后续研究，以探索几个关键领域。该团队希望调查当冥王星和冥卫一距离更近时潮汐力如何影响它们的早期演化，分析这种形成情景如何与冥王星目前的地质特征相一致，并研究类似的过程是否可以解释其他双星系统的形成。
“我们特别感兴趣的是了解这种初始配置如何影响冥王星的地质演化，”丹顿说。 “撞击产生的热量和随后的潮汐力可能在塑造我们今天在冥王星表面看到的特征方面发挥了至关重要的作用。”
编译自/ScitechDaily
DOI: 10.1038/s41561-024-01612-0
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