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翻译：Hygee
校对：刘峰
美工：葫芦
后台：朱宸宇
https://phys.org/news/2024-04-astrophysicists-mystery-heart-feature-surface.html
图片来源：美国宇航局/约翰霍普金斯大学应用物理实验室/西南研究院/Alex Parker
由伯尔尼大学及国家行星科研中心（NCCR）PlanetS成员领军的国际天体物理团队终于探明了冥王星表面上那个引人瞩目的巨大心形地貌的由来。他们首次使用数值模拟成功揭示这种奇特地貌源自一次巨大且缓慢的斜角撞击，从而为这一宇宙之谜揭开了神秘面纱。
自2015年美国宇航局的“新视野”号任务在冥王星表面捕捉到那引人注目的大型心形地貌后，这一“爱心形状”便成了一个谜——其独特的外形、复杂的地质结构和突起的海拔让科学界百思不得其解。伯尔尼大学的科学家团队携手国家行星研究中心PlanetS的几名成员及远在图森的亚利桑那大学的科学家们集思广益，通过精确的数值模拟工作，揭开了冥王星心形地貌西部泪滴状区域——斯普特尼克平原（Sputnik Planitia）的起源之谜。
上述研究发现，早期历史中，冥王星曾经历过一场剧烈的天体冲击，一颗体积巨大的行星体——其直径大约是700公里，足有瑞士东西跨度的两倍——与其相撞，从而塑造出了如今的斯普特尼克平原。这项成果于近期被发表在《自然•天文学》杂志上，这一发现不仅颠覆了我们对冥王星内部结构的传统认知，而且还证明了那里并不存在预想中的地下海洋。
割裂的心
这个心形地貌（也被称为汤博区）一经发现就引起了公众关注，也随即引起了科学家们的兴趣。这一地区之所以引人注目，是因为其表面覆盖了一层高反照率的物质，反射的光比周围环境更多，使其显得更为洁白。
然而，这个心形并非由单一元素所构成。其西部地区，也就是斯普特尼克平原，覆盖了1200公里乘以2000公里的广阔区域，这一面积相当于欧洲或美国的四分之一。更为引人瞩目的是，这一区域的地势比冥王星其他大部分区域低三至四千米。
“斯普特尼克平原之所以看起来如此明亮，是因为这里主要充满了白色的氮冰。”该研究的主要作者，伯尔尼大学的哈里•巴兰坦（Harry Ballantyne）博士解释道，“这些氮冰在移动和对流过程中不断撞击，并将这一地区的表面打磨光滑。由于这一区域海拔更低，导致这种氮冰很可能在撞击之后迅速累积。”
心形地貌的东部同样也覆盖着一层氮冰，只不过这层冰相对更薄。科学家们尚未弄清此处氮冰的起源，但推测其可能与西部地区的斯普特尼克平原有关。
这幅图以艺术化形式再现了冥王星表面因巨大而缓慢的撞击而形成的心形结构。图片来源：伯尔尼大学，插图作者：Thibaut Roger。
斜角撞击
这项研究的发起人——来自伯尔尼大学的马丁•彻奇希（Martin Jutzi）博士指出：“斯普特尼克平原（Sputnik Planitia）的细长形状有力地说明，撞击并非直接的正面碰撞，而是斜角碰撞。”
因此，团队依此线索，同世界上其他几个团队一样，也采用了光滑粒子流体动力学（SPH）模拟软件，通过数字化手段重现不同条件下的撞击场景，从而揭开了这一天文谜题。他们调整了冥王星和撞击体的组成成分以及撞击的速度和角度，最后的模拟结果证实了科学家们对斜角撞击的推测，并明确了撞击体的构成成分。
巴兰坦（Ballantyne）解释说：“由于冥王星的核心极冷，所以尽管撞击产生了热量，岩石仍然十分坚固，并未融化。同时，由于撞击的角度和低速度，撞击体的核心并未陷入冥王星的核心，而是像飞溅物一样完好地留在其表面。”
来自亚利桑那大学的研究合著者埃里克•阿萨福格（Erik Asphaug）补充道：“斯普特尼克平原下方的某个地方有另一个巨型天体的残余核心，冥王星从未将其完全消化。”模拟成功的关键在于这种核心的强度以及相对较低的速度：如果强度更低，那么遗留的表面地貌会非常对称，看上去不会是“新视野”号捕捉到的泪滴状。
阿斯派格接着说：“我们习惯将行星间的碰撞想象为极其猛烈的事件，细节几乎可以忽略不计，只考虑像能量、动量和密度这类因素。但在遥远的太阳系中，速度要慢得多，而且坚冰异常坚硬，这就要求我们的计算必须更为精细。这时，乐趣才真正开始”
这两个团队有长期的合作历史。2011年以来，他们都在尝试用行星“飞溅”的观点来解释一些东西，例如月球背面的特征等。继月球和冥王星之后，伯尔尼大学的团队计划探索其他外太阳系天体的类似场景，如名为哈乌美亚（Haumea）的类冥王星矮行星。
冥王星上没有地下海洋
当前研究也为冥王星的内部结构提供了新思路。实际上，模拟的这种巨大撞击事件很可能在冥王星形成的早期就已发生。然而，这就产生了一个问题：根据物理定律，由于质量亏损，像斯普特尼克平原这样的巨大凹陷理应随着时间的推移缓慢地向冥王星这颗矮行星的极点移动。但令人不解的是，该平原却位于冥王星的赤道附近。
之前的理论解释是，冥王星与外太阳系的其他几个行星体一样，有一个地下液态水海洋。根据这一解释，冥王星的冰壳在斯普特尼克平原区域更薄，导致该区域的海洋膨胀，而由于液态水的密度比冰的密度大，最终产生质量过剩，导致该区域向赤道移动。
然而，新研究却提供了另一种视角。马丁•彻奇希解释说：“在我们的模拟中，发生撞击后，冥王星的所有原始地幔都被挖空。当撞击体的核心物质飞溅到冥王星的核心上时，产生局部质量过剩。这个过剩足以解释平原向赤道移动的现象，而无需依靠一个地下海洋，即便有的话，也只是一个非常薄的海洋”。
该研究的合作者，同样来自亚利桑那大学的阿德妮•登顿（Adeene Denton）博士，目前正在开展一项新的研究工作，旨在估算这种移动的速度。她这样总结道，“了解冥王星上这个心形地貌的新颖且富有创造性的成因，可能让我们更好地了解冥王星的起源。”
责任编辑：DAIKIN
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