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2016-8-27

冥王星的千面风景

归档于: 天文空间科学, 行星科学 @ 7:02 pm

无论是对于职业行星科学家还是普通民众,去年7月新视野号对冥王星的考察带来的都是一个罕见的机遇:第一次目睹一个大型星球的面貌,何况这个造访对象还属于一类全新的天体。就为了这一刻,探测器走过了为期9年半、长达50亿千米的征程,期间经历木星借力与长久沉眠,就在即将抵达冥王星之前的几天里还上演了因指令的时间序列冲突而导致的有惊无险。冥王星探测计划本身的研发更是一路坎坷,从上世纪末冥王星-柯伊伯带快车(Pluto Kuiper Express)以及更早的冥王星快速飞掠(Pluto Fast Flyby)的中途夭折,再到进入新世纪后新视野号的匆忙上马,个中的种种波折与惊心动魄,怕是只有亲历者才能说清一二。

艺术家笔下掠过冥王星的新视野号。图片提供:JHU-APL/SwRI

如果说去年7月14日的最近距离飞掠是整个冥王星探测任务期间最令人激动的时刻,真正的华彩乐章却是在飞掠之后的一年零四个月里才逐渐展开在我们面前的。这是因为在飞掠前后,为了尽可能地提高新视野号所载仪器的科学观测效率,探测器与地球的联系被全部切断;而由于冥王星距离遥远,这架探测器与地球之间每秒区区几百比特的通信带宽又堪称龟速(作为比较,如今好奇号火星车的数据传输速率达到了每秒上万比特),因而将全部数据传输完毕需要大量的时间现在距离飞掠过去了1年多,压缩版数据已经在去年11月全部传回,而全分辨率信息也已传回了8成以上(全部传输工作要持续到今年年底才能结束),所以我们可以一瞥新视野号所有的发现了,只是在部分区域的精度可能有所妥协。

首先在冥王星大小和密度等最基本的参数方面,新视野号的实地测量就已经革新了先前的认知。10年前国际天文学联合会(IAU)将冥王星从行星队伍中除名,并认定它属于介乎行星和小行星之间的矮行星,从而引发了一场绵延至今的风波。这场降级之争的诱因就是此前不久阋神星的发现,这个新的大型柯伊伯带天体(KBO)估计的半径比冥王星略大,从此让越来越多的人开始重新思考行星的定义。但探测器在飞掠前却经由实拍照片正式敲定,冥王星直径为2370千米,略大于先前的估计值,也明确大于阋神星。可是由此带来的推论是冥王星的密度比估计值更小,甚至其总质量反而比后者略轻,故而其中冰态物质所占的比例也较早些时候的认知更高。

左:1989年旅行者2号飞掠海王星期间拍摄的海卫一近照,图中的蓝绿色部分就是其上独有的“哈密瓜皮”地带,这里沟槽、山脊和凹陷地貌交错排列(图片提供:NASA/Voyager 2);右:新视野号飞掠之前艺术家构想出的冥王星表面,冰火山从裂隙喷涌而出,稀薄的大气甚至让微弱的阳光在天空中幻化出了幻日之虹(绘图:Ron Miller)。

而在新视野号的首席研究员、来自美国科罗拉多州西南研究所的艾伦·斯特恩(Alan Stern)眼中,这架探测器最重要的发现之一就是冥王星系统复杂得超乎想象的地质特征,连同无穷的活跃性。因为冥王星是一颗身居柯伊伯带内缘附近的大型冰态天体,在飞掠前,很多人对其外貌的猜测都是以直径稍小、发源于同一区带的海卫一为蓝本的。后者是一颗地表酷寒而斑驳的活跃卫星,显露出了激烈的冰火山活动,连带冰态物质融化塌陷的迹象。于是在不少行星科学家眼中,冥王星似乎也理应表现出类似的特点,冰粒裹挟着泥浆从地下涌出,形成壮观的羽状抛射物,甚至还可能具备类似于海卫一的“哈密瓜皮”式表面。

新视野号在2015年7月13日飞掠前一天拍摄的冥王星,其上可见“桃心”结构。图片提供:NASA/JHU-APL/SwRI

但新视野号飞掠带来的数据着实让众人大吃一惊。这个论体积说大不大说小不小的星球,其上却拥有从高度超过3000米的冰山,到平坦而年轻的冰原,再到流淌的冰川在内的一系列地貌。哪怕在地理位置上毗邻的区域,无论是地形,还是颜色、组分抑或是反照率也可能截然不同。这里到处都昭示着过去几十亿年间持续的地质活动,不过也与海卫一这样由大型行星潮汐力主导的世界迥异。

新视野号在冥王星飞掠期间使用长程勘察成像仪(LORRI)拍摄的人造地球卫星平原高地的透视图,还结合了Ralph/多光谱可见光成像照相机(MVIC)在蓝光、红光和红外波段获取的假彩色数据。图中紧邻平坦辽阔冰原的,就是左侧颜色暗淡而环形山遍布的克尔苏区。冥王星上地表形态的反差之大,可见一斑。图片提供:NASA/JHU-APL/SwRI

由于飞掠期间新视野号与冥王星相对位置的缘故,高分辨率观测主要是针对冥王星著名的“桃心”所在的半球进行的。这片色彩明亮的区域是整个星球上最突出的特征,在地球附近都可以被将将解析出来,所以它的非正式名称以冥王星的发现者命名为汤博区(Tombaugh Regio)(注:现在冥王星上所有地貌的名称都还没能得到IAU的最终批准,文中出现的所有地名均为根据公众投票结果暂拟的非正式名称,下同,不再一一注明)。拜探测器在飞掠前夕拍摄的那张著名照片所赐,现在桃心的形象已是风靡全球,深入人心。汤博区正是冥王星上地形高度多样化的最佳表征之一:桃心外形看似连贯,东西两瓣的成分实则不同;更且被暂时命名为人造地球卫星平原高地(Sputnik Planum)的西瓣绵延上千千米,内里平坦而光滑,但边缘处却崎岖而遍布陨击环形山。桃心以西则与冥王星表面最暗的部分——克尔苏区(Cthulhu Regio)相连,区区一山之隔,外观已是纯然的两重天。

根据新视野号的数据绘制出的人造地球卫星平原高地周边地质图,这里汇集了30余种不同的地貌特征。图片提供:NASA/JHU-APL/SwRI

人造地球卫星平原高地上的典型地貌是宽约数十千米的多边形或椭圆形地块,地块之间则以数千米宽的浅沟为界,乍看上去简直是干涸的泥塘。有些沟槽内部还分布有颜色较暗的物质,或者有着数十到数百米高的山丘或山脊。此等地块结构的起源说法不一,其中之一就是枯水塘底的放大版,也就是大尺度上地表的收缩。不过最新的观点认为,鉴于整个平原高地的表层以厚达数千米的易挥发的冰态物质(如氮冰和少量一氧化碳冰、甲烷冰)为主,冰体在热量作用下上浮,随后再次冷却下沉,这种缓慢的对流才是地块形成的主因。我们看到的浅沟正是各个对流元的边界,而对流元本身在漫长的演化史中也会此消彼长或是并合为一,让浅沟出现死端。冥王星内部的热源为整个过程提供了能量,驱动着对流的往复进行,这就跟“熔岩灯”中的蜡滴在灯泡温度的作用下沉沉浮浮无甚本质区别——而这不大的一颗星球在诞生40多亿年之后余温犹存,还能维系住如此大规模的地质活动,也确实值得讶异。

上:冥王星人造地球卫星平原高地中的多边形地块,图中下方还可见孤立的“X”形浅沟,它很可能就是4个已经不复存在的对流元一度的交点所在(图片提供:NASA/JHU-APL/SwRI);下:熔岩灯中的蜡滴在热量作用下反复沉浮。

与氮冰对流相关的就是流淌的冰川。在新视野号飞掠过后不久,多边形地块的成因尚不明朗之时,研究者即已在人造地球卫星平原高地的边缘发现了冰川流动的痕迹。事实上它们称得上是全太阳系规模最大的冰川,冰体打着旋绕过障碍物,汇入低地,一路输运着新鲜的冰态物质。活跃的氮冰冰川或许是平原高地内部的氮冰挥发,并凝结于周边地势较高区域的自然结果。只是在高地除边缘以外的其他大多数区域,冰体的移动速度还是比较慢的,一年只有几厘米而已,多半不易觉察。

人造地球卫星平原高地西北侧的流动冰川。图片提供:NASA/JHU-APL/SwRI

人造地球卫星平原高地上的另一惊人之处是,哪怕在新视野号分辨率最高的图像中,环形山还是完全不可见,这意味着其地表年龄不会超过1亿年,以地质学的角度看是相当年轻的。而根据冰层对流速度估计,每块对流元的表面每50万年即可更新一次,整个冰原也不会超过1000万年,相关地貌的新鲜程度高居整个太阳系的榜首。不过该平原高地上环形山缺席归缺席,宽数百米、深数十米的凹坑还是相当普遍的。这些凹坑显然不是陨击起源,而只是地下冰体升华、地面坍塌的产物。

人造地球卫星平原高地东南侧地表的放大图,可见这里的凹坑簇。图片提供:NASA/JHU-APL/SwRI

桃心周围群山林立,这其中最突出的当属南侧以登顶珠峰的先驱命名的希拉里山脉(Hillary Montes)与诺盖山脉(Norgay Montes)。这里的山峰最高达到了3000-4000米,更令人瞠目的是如此高耸的山体,基底纯系水冰构成。依稀记得当年IAU将冥王星从行星的行列中开除,其中的原因还包括冥王星系冰态天体,质地柔软,毋须太大的质量即可达到流体静力学平衡,从而维系球状形态。与这条理由相比,冰质高山的发现实在有些颠覆。其实水冰能够充当巨型山脉基石的原因很简单,在冥王星不到40开尔文的低温环境下,这种我们自以为很熟悉的物质特性会变得坚如磐石,足以支撑住数千米高的结构。

人造地球卫星平原高地南侧的群山,包括希拉里山脉(左)与诺盖山脉(右)。图片提供:NASA/JHU-APL/SwRI

桃心北缘的对比更加鲜明,高度超过2000米的伊德里西山脉(al-Idrisi Montes)毫无征兆地被一望无际的冰原截住。这几道山脉,尤其是南侧的山脉年龄都不是太老,它们可能的形成途径是冥王星富含水冰的地壳变形断裂,被推挤着隆起,由此造就了当前所见的高峰。也许只有冥王星这种孤立的大型KBO才会拥有如此壮观的冰山,而海卫一因其距离海王星过近,主天体潮汐摩擦产生的热量足以让冰体融化,所以其地势相对来说要平坦很多。

人造地球卫星平原高地的北边缘特写,平滑的冰原突变成了起伏的伊德里西山脉。图片提供:NASA/JHU-APL/SwRI

桃心附近还有不少值得玩味的地方。南侧如顶端带有孔穴的疑似冰火山——莱特山(就算最终可以得到证实,它的活跃度也远没有海卫一上喷涌的冰泉那般明显)以及疑似的沙丘,东侧如富含甲烷冰的塔尔塔罗斯山脊(Tartarus Dorsa)一带蛇皮状或称刃状的纹理,它们无论是成因还是真实身份都有待进一步的探讨。而在桃心以北,冻结在山谷中的冰封氮池塘是冥王星过往较为温暖,表面曾有液体流过的线索。在太阳系中,除地球之外,类似的流体过程仅见于火星和土卫六。再往北去,北极附近的洛厄尔区(Lowell Regio)有数道峡谷横穿而过,还像人造地球卫星平原高地那样四处点缀有凹坑(只是占地面积要较后者大得多)。这照例是地下冰层升华的杰作,只是冰雪的主体从氮冰换成了甲烷冰,让该区域呈现出了独特的黄色调。

桃心东边缘的塔尔塔罗斯山脊的刃状地表结构,典型刃高500米,构成了冥王星上最陡峭的一处地貌。图片提供:NASA/JHU-APL/SwRI

人造地球卫星平原高地北部山区中的冻结氮池塘。图片提供:NASA/JHU-APL/SwRI

冥王星北极附近洛厄尔区的增强色图像,图中北极位于中部偏左,附近可见若干平行的峡谷。图片提供:NASA/JHU-APL/SwRI

离开平坦的冰原向西行进,来到冥王星上更古老的地带,我们看到的就是另一番面貌了。满铺着暗色复杂有机物索林(tholin)的克尔苏区饱受陨星轰击,其北侧的若干台地也是如此。再往北去,就来到了冥王星上最大的已知环形山——宽250千米的伯尼(Burney,以冥王星的命名者得名)环形山,内里还密密麻麻地撒满了后来出现的新生环形山。这些环形山暴露的侧壁展现出了明显的地层,叙说着当地的地质演变。有一些四周的喷出覆盖物还依稀可辨,这表明其形成时间不会太早。从伯尼环形山再往西去,来到得名于前苏联同名金星探测器的金星号台地(Venera Terra),所见又有不同:除了大量的环形山,还有交织的峡谷网络构成了与火星迷径沟网一般的风景。据信这样的峡谷由地表大面积断裂所塑造,而日后的冰川运动或冰体升华又进一步让谷底加宽。

伯尼环形山内晚于主环形山出现的小型环形山群。图片提供:NASA/JHU-APL/SwRI

金星号台地内的迷径沟网式峡谷网络。图片提供:NASA/JHU-APL/SwRI

与地形多样化相伴的是冥王星地表成分的多样化。抛开有机物层沉积得发暗的克尔苏区与有机物匮乏得明亮的人造地球卫星平原高地之间鲜明的对比不论,星球上还存在由氮冰、一氧化碳冰、甲烷冰或水冰主导的地带,而且彼此之间的反差之突然,也是在全太阳系中绝无仅有。就算是同一种主导物质,细节差异仍旧很明显,如北极冠同赤道附近的数个暗斑同属甲烷冰富集区,但各自的冰体结构却很可能明显不同。这些现象背后反映的同样是冥王星复杂多变的地质或气候史。

冥王星上不同冰态物质的分布图。左上:甲烷;右上:氮冰;左下:一氧化碳冰;右下:水冰。图片提供:NASA/JHU-APL/SwRI

冥王星的地质地貌引人入胜固矣,其大气层带来的惊喜也毫不逊色。大气考察应该说是新视野号最急于从事的工作了。实际上在21世纪之初,当冥王星-柯伊伯带快车因预算缩减的缘故被迫中断之后,美国行星学会再三发起太空爱好者向NASA请愿,希望重拾冥王星探测。这不仅仅是出于填补太阳系空间勘察空白的考虑,更有一个很现实的担忧:上世纪末,冥王星刚刚经过了近日点,期间星球温度上升,部分冰态物质升华,带来了临时性的大气;当冥王星远离太阳之后,这层本已稀薄的气体很可能会彻底冻结,想再次对其开展仔细研究恐怕就要等到3个世纪之后了。所幸新视野号最终上路,赶在了冥王星大气凝固之前完成了匆匆一瞥。

首先让来自地球的人倍感亲切的是,冥王星的天空呈蓝色,而且色彩的成因也与地球一样——大气中的悬浮物对阳光的瑞利散射。只是这里的气压显然要远低于地球,只及地球大气层外边缘的水平;另外二者散射阳光的颗粒成分也不同,于地球而言是氮分子,但在冥王星上却是深色的索林颗粒,它们源自高层大气中的甲烷和氮分子被阳光中的紫外线瓦解并相互反应。而当索林表面被冰霜覆盖后,就会落到冥王星上,长此以往,整个星球就被涂上了橙红的色彩,甚至呈现出了克尔苏这种暗区,这是他话。

冥王星上的蓝天和雾霾。图片提供:NASA/JHU-APL/SwRI

索林组成的雾霾颗粒在冥王星大气中分布甚广,从地面一直延伸到160千米的高空。这一高度本身彻底颠覆了飞掠前的预言,因为早年人们认为距离星球表面30千米的高空中的温度已经过高,所以颗粒物质难以凝结于此。但新视野号的实测结果是,冥王星高层大气的温度远较之前根据地面观测作出的估计为低,原因不明,但这至少保证了颗粒的存在性。同时,雾霾本身还分出了不同的层次,至少各处的密度并不均匀,每层也并没有严格平行于星球曲率。雾霾层可行的解释是重力波(这种波动并非时空本身的涟漪——引力波,二者必须区分开来),这一效应让颗粒集中于某几个高度上,而波动本身则是由吹过冥王星崎岖山地的风力所激起的。

冥王星由大气雾霾产生的光晕,以及雾霾的分层示意。图片提供:NASA/JHU-APL/SwRI

更奇怪的是,当新视野号完成飞掠后不久,其上搭载的无线电实验设备(REX)配合深空探测网的地基天线进行了冥王星掩星测量,发现星球地表大气压较两年前的地面掩星观测值降低了一倍,而在此以前气压都是一路上升的。这到底是冥王星远离太阳期间的必然过程,还是过去的观测误差太大因此不是很可信?如果原因是前者,以此趋势持续下去,过不了多久,冥王星的大气也就要全部冻到地面上去了,这样看来,搭上了大气勘察末班车的新视野号还算运气不坏。除了气压,早先同样被高估的还有大气的逃逸速率。原本研究者以为像冥王星这样不太大的天体,其大气损失的剧烈程度或许能与彗星比肩;但实际水平却更类似于地球,这大概与较低的高层大气温度有关。而逃逸气体的主要成分是甲烷而非含量更高的氮气,也称得上又一怪事。

新视野号逆光拍摄的冥王星雾霾层,图中可见超过20层雾霾结构。值得一提的是,图中最低的一层并没有完全与地表平行,而是在部分区域与地面相连。图中冥王星边缘附近的地貌也依稀可见。图片提供:NASA/JHUAPL/SwRI/Gladstone et al./Science (2016)

冥王星不那么直观但仍旧重要的面目还包括其周边的空间环境。新视野号本身就携带了用于测量太阳风的等离子体谱仪SWAP、用于测量冥王星大气逃逸离子的高能粒子谱仪PEPSSI,还有由科罗拉多大学的学生主持研制的尘埃计数器SDC。前两台仪器发现了冥王星大气与太阳风相互作用的方式,确定出从大气中逃逸的氮离子在星球后方形成了一道等离子体尾;而昼半球前方的逃逸气体只局限于6倍冥王星半径之内,远较预期为近,如此明显的不一致可能要归结为大气逃逸速率先前被大大高估。SDC的最重要发现是,它在飞掠前后5天内只记录下了1个尘粒,这意味着冥王星系统中的尘埃密度完全与外太阳系中的背景相当。这照样远远低于预期,不过好处是最初对尘埃撞击探测器引发事故的顾虑可以暂时被放到一边去了。

太阳风与冥王星由氮元素主导的大气的相互作用示意,受大气逃逸离子撞击的太阳风被减速,并在冥王星前方形成可能的激波;而星球后方拖出了一道长长的等离子体尾迹。图片提供:NASA/JHUAPL/SwRI

在新视野号的数据传输期间,冥王星的所有5颗卫星也终于全部露出了真面目。首先是在飞掠之时即已显露真身的最大冥卫——冥卫一,鉴于它的直径达到了冥王星的将近一半,而且它同冥王星的公转质心是位于冥王星外部的,所以二者在过去经常被视作双行星。可是冥卫一相对冥王星的差异远比相似点惹眼,在高分辨率图像中更是如此。比如根据陨击环形山判断,前者的地表是均一地古老;而断裂又很是常见,甚至在赤道附近存在一道长长的构造断层,暗示了远古时期冥卫一内部拥有海洋,后来海水的冻结撕裂了地壳。而冥卫一地表复杂性虽高,这里的色彩(进而是组分)却没有冥王星那样繁杂。当然还有一个重要区别是冥卫一没有丝毫的大气存在迹象,但北极冠附近有机物富集带呈现的红褐色却是逃逸自冥王星大气中的甲烷发生反应转变为索林而染成的。这一切都说明,冥王星系统的这两个主要成员,理应是分别诞生后再相逢的。

冥卫一的高清晰度影像,图中环绕卫星赤道的大型裂谷、星罗棋布的环形山连同北极周边的棕红色有机物层清晰可见。图片提供:NASA/JHU-APL/SwRI

其他4颗小型冥卫虽非探测器的关注重点,但其近照还是都被逐一拍下。根据图像可知,它们的地表不仅古老,而且年龄相近,所以有假说称其全部源于历史上冥王星与另一个柯伊伯带天体的碰撞。而又因为这几颗不规则的小天体反照率全部过半,相对小型KBO而言都过于明亮,因此也支持它们并非被冥王星俘获的柯伊伯带成员的观点。更有趣的是冥卫三和冥卫四隐隐表现出了双瓣状的模样,不禁让人想到罗塞塔号造访的丘留莫夫-格拉西缅科彗星。说不定这两颗小卫星也跟彗星一样,是由两部分并合形成的。除此之外,新视野号的又一意外发现是冥王星不存在新的卫星,至少在探测器所容许的分辨率和灵敏度下如此,这也足够让很多人迷惑了。

新视野号拍摄的4颗小型冥卫的影像,其中冥卫三和冥卫四的双瓣结构以红色圆圈勾出。(图片提供:NASA/JHU-APL/SwRI)

新视野号对冥王星系统的实地调研目前已经告一段落,但其对行星科学带来的深远影响却不会到此为止。抛开这架探测器拓荒太阳系边疆,并为始于1965年7月14日水手4号火星飞掠的太阳系第一期近距离勘察画上句号的功劳不论,对柯伊伯带天体的研究带来的启示更是引人思索。冥王星所呈现的古怪特点,很可能就是柯伊伯带的常态;而其上种种看似陌生的过程,也许对于KBO(至少是大型KBO)来说正是共性的。我们对这类冰封的太阳系原始天体的了解,实在是太少太少。

为了进一步认识太阳系的外围地带,新视野号小组在完成冥王星飞掠之后就安排了它的下一个访问目标——2014 MU69,并指挥探测器在2015年11月完成了针对新天体的变轨机动。这个小型KBO的宽度只有45千米,大于一般的彗星,而比冥王星小很多,它应该是太阳系外围更常见的成员。现在这项拓展计划已经得到了NASA的正式批准,如果进展顺利,新视野号将在2019年元旦与2014 MU69会合,那时想必还有更多的惊奇与新发现在等待着我们。

冥王星(灰色)与2014 MU69(红色)的轨道相对关系示意图,其中黄色曲线表示新视野号的飞行路线。图片提供:NASA/JHU-APL/SwRI/David Napolillo

而在接下来的飞行过程中,新视野号也将沿途拍摄其他一些柯伊伯带天体,比如今年探测器已经将照相机对准了1994 JR1以及夸奥尔。虽然在照片中,这些不大的家伙只是以光点的面目示人的,但这已经是它们迄今最佳的照片了。何况新视野号的视角与地面有所不同,通过比较二者之间的差异,就能推断出被摄KBO反照率等参数在各处的异同,还是有很高的研究价值的。作为额外的红利,充当被摄小天体背景的恒星、星系等也成了拍摄对象。预计在未来的若干年里,类似的观测应该还会涌现不少。

新视野号在今年7月13-14日,也就是飞掠冥王星整整一年之后拍摄的柯伊伯带天体夸奥尔的照片,图中可见夸奥尔(红色圆圈所指)相对星空背景的移动。图片提供:NASA/JHU-APL/SwRI

 

注:本文为约稿,即将发表于《天文爱好者》杂志2016年10-11月号,请勿转载。

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