矮行星谷神星研究新发现

美国宇航局的黎明号航天器在距离谷神星最近的最后一圈绕行时,拍下了这张激动人心的图像。

图源:NASA/JPL-CALTECH/UCLA/MPS/DLR/IDA

撰文:MICHAEL GRESHKO

在火星与木星之间的小行星带里,矮行星谷神星体积虽小,却蕴藏着大大的惊喜。美国宇航局黎明号探测器进行的大量研究发现,谷神星是一颗地质活跃的天体,有冰火山以及远古海洋遗存。

2017年末至2018年末,黎明号在燃料耗尽前的几次绕行中收集了大约一年的数据。这些数据显示,谷神星很可能有盐水渗出表面,而且在大约2000万年前一颗小行星撞击它之后,冰层融化后重新上冻,也可能形成了小山丘。

谷神星的直径不到月亮直径的三分之一。其上存在液态水的想法可能曾经显得非常稀奇古怪。但是,人类如今已经近距离观察过它,我们知道这颗寒冷的、小小的谷神星的地质很活跃。

这些发现标明了谷神星的核心奥秘:宽约92千米的欧卡托(Occator)撞击坑,表面覆盖着令人费解的、明亮的、含盐的斑点。新研究称,120万年前,冰冷的地下盐水涌上欧卡托的地面,形成了这些含盐的沉积物。

地表隆起的大山和山丘也支持这一观点,即谷神星经历了一种冰冷的冰火山,含盐的泥浆或污水像地球上的熔岩一样涌出地面。黎明号发现,在欧卡托撞击坑地面的某个区域,一些迹象表明在过去几十年里(如果不是最近),冰火山里曾有盐水流出。

这张伪色彩渲染的谷神星图片上标明了地表物质的差异,比如欧卡托撞击坑里明亮的含盐沉积物。

图源:NASA/JPL-CALTECH/UCLA/MPS/DLR/IDA

黎明号首席研究员、美国宇航局喷气动力实验室小天体项目主管Carol Raymond说:“我们有强有力的证据表明在当前或者至少在非常近的过去,谷神星的地质很活跃。此外,还有一些撩人的证据表明地质活动可能仍在进行当中。”

除了奇异的火山之外,新发现还使谷神星加入了一个越来越长的、拥有生命所需“原料”的星球的名单,它们都有水、能量以及含碳的有机分子。科学家称,由于小行星撞击产生了热量,谷神星可能在短时间内适宜居住,但不一定已有生物存在。

约翰斯霍普金斯大学应用物理实验室的行星地质学家Kirby Runyon(并未参与本研究)称:“我们观察到的这个近期的、温热湿润的地质系统,拥有你能想到的生命所需的所有材料。”

走近矮行星

近日,《自然天文学》《自然通讯》《自然地球科学》三本期刊上发表的7篇论文,全都源自于黎明号(2015-2018年)最后航程获取的数据。在黎明号任务盛大落幕时,黎明号俯冲到距离谷神星表面35千米的地方,拍摄了许多分辨率极高的照片,约等于3米/像素,相当于从400米远的距离看一颗高尔夫球。

自从2015年黎明号探测到欧卡托撞击坑里明亮的斑点起,科学家们就一直困惑于它们是如何形成的。研究人员很快就了解到这些地面特征是盐形成的,很可能是涌上谷神星表面的盐水沉积而成。问题在于,盐水是从哪里来的?

2018年7月26日,美国宇航局的黎明号航天器在152千米的高度拍下了欧卡托撞击坑地面上的裂纹结构。

图源:NASA/JPL-CALTECH/UCLA/MPS/DLR/IDA

2018年7月31日,美国宇航局的黎明号航天器在50千米的高度拍下了欧卡托撞击坑里幽深的裂纹。

图源:NASA/JPL-CALTECH/UCLA/MPS/DLR/IDA

研究人员认为奥卡托撞击坑已有约2000万年历史。造就它的那场撞击可能产生了大量的热,使原本寒冷的景象变成了盐水涌动的“泡沫浴”。不过,黎明号团队利用计算机模拟发现,这场撞击产生的热量大部分在500万年左右就已消散。

一些明亮的盐点是在过去的400万年间出现的,因此其成因不可能是那场撞击。相反,那些液体一定来自一个古老的、很深的盐水储层。

由于行星不同地区的引力会随着地貌和地壳密度而轻微变化,而谷神星上的重力变化揭示了疑似的盐水源头。当黎明号绕着谷神星运动时,其速度会发生微小变化,研究人员通过这一速度变化推断出谷神星不同地区的引力变化。

研究人员将这一数据与谷神星的地形结合之后发现,欧卡托撞击坑下的土地密度比周围的地壳密度小。撞击坑下方似乎有两个MM糖豆一样的椭圆体盐水水库。较大的那个水库宽约418千米,位于撞击坑的正下方48千米处、谷神星地壳的底部。较小的水库宽约193千米,位于撞击坑东南方的地下19千米处。

“如果你要去钻探,你可能会先到达一个含水层,然后就会有非常冷的盐水冒出。”华盛顿大学圣路易斯分校的行星科学家Bill McKinnon(并未参与新研究)说道。

远古海洋渗出地面的残留物

这张照片是谷神星上欧卡托撞击坑的坑壁,由美国宇航局的黎明号航天器于2018年7月5日在43千米的高度拍摄。

图源:NASA/JPL-CALTECH/UCLA/MPS/DLR/IDA

研究团队推断,这些一汪汪盐水是谷神星上一个较大的、甚至可能是全球性海洋遗留下来的。正如冬天在路面撒融雪盐一样,溶解的盐能使水在冰点以下仍然保持液态。就谷神星而言,盐水的温度估计为-5.5℃,需要大量盐,并可能混合了浑浊的、细粒的矿物质。

那些盐水“绝对不适合潜水,它们更像是一大片沼泽。”论文的合著者、喷气动力实验室行星科学家及黎明号团队成员Julie Castillo-Rogez说道。

无论是什么东西撞上谷神星并造就了欧卡托撞击坑,它都启动了冰火山运动,从而把盐水矿物带到了地表。与地球上的火山不同,谷神星上的冰火山是地壳中的水结冰、膨胀后,挤压地下盐水而开始发展的。

欧卡托撞击使谷神星地壳裂开,地下深处的盐水利用裂纹涌出地表。当盐水到达地表后,水蒸发消失,留下了我们今天看到的明亮的含盐沉积物。

一些观测结果甚至显示谷神星上的活动仍在进行中。在上述7篇论文之一中,意大利国家天体物理研究所的行星科学家Maria Cristina De Sanctis带领的团队发现了欧卡托亮斑中包含水化氯化钠的证据。研究人员称,这种盐里的水分会在到达地表100年内散入太空。这种化合物中仍然含水,因此,谷神星的冰火山可能仍然在喷发中。

“很有可能火山仍然是活动的,原因在于水仍然少量地往上涌。”黎明号团队成员、德国马克斯 普朗克太阳系研究所行星科学家、几篇新论文的合著者Andreas Nathues说道。

太阳系里冰冻星球众多

黎明号,以及2015年飞掠冥王星的美国宇航局新视野号航天器都发现,小型的冰冻天体比我们之前想象的活跃得多,拓展了科学家对许多地外星球地质特征的想象。

与谷神星及其亮点一样,新视野号的合作研究员McKinnon说:“每颗行星似乎都有特别之处。地质是它们的韵脚,但从不重复。”

Castillo-Rogez带领的团队近日向美国宇航局提议对谷神星进行一项采样-返回任务,不过该任务的发射时间不会早于2031年,因为该提议需要多年才能批准、设计并建造航天器。该任务将从欧卡托撞击坑的地表采集100克矿物并发回地球。

Raymond说,100克听起来可能不多,但这些样品代表着比我们之前所能研究的物质更为原始和原生态。“通过深入研究这类天体中的细节,我们将学到很多很多。”

(译者:mikegao)