Kosmiczne zderzenie, które stworzyło serce Plutona

Sekret jak Pluton Wreszcie międzynarodowy zespół astrofizyków pod przewodnictwem… Uniwersytet w Bernie oraz członkowie Krajowego Centrum Kompetencji w dziedzinie Badań Naukowych (NCCR) PlanetS. Zespołowi jako pierwszemu udało się odtworzyć niezwykły kształt za pomocą symulacji cyfrowych i przypisuje to efektowi gigantycznego, powolnego kąta pochylenia.

Od kamer NASAMisja New Horizons odkryła dużą strukturę w kształcie serca na powierzchni planety karłowatej Pluton w 2015 roku. To „serce” zaskoczyło naukowców ze względu na swój unikalny kształt, skład geologiczny i wysokość. Naukowcy z Uniwersytetu w Bernie w Szwajcarii i Uniwersytetu w Arizonie wykorzystali symulacje numeryczne, aby zbadać pochodzenie Sputnik Planitia, zachodniej części powierzchni jądra Plutona w kształcie łzy.

Według ich badań wczesna historia Plutona naznaczona była kataklizmem, który doprowadził do powstania Sputnika Planitia: jego zderzenia z ciałem planetarnym o średnicy nieco ponad 600 km, czyli mniej więcej wielkości Arizony od północy do południa. Ustalenia zespołu, które opublikowano w Astronomia przyrodniczaWskazuje również, że wewnętrzna struktura Plutona różni się od wcześniej zakładanych, co sugeruje, że pod powierzchnią nie ma oceanu.

„Powstanie Sputnik Planitia zapewnia ważny wgląd w wczesne okresy historii Plutona” – powiedział Adeniy Denton, planetolog z Lunar and Planetary Laboratory w Arizonie, który jest współautorem artykułu. „Rozszerzając nasze badania o bardziej nietypowe scenariusze formowania, poznaliśmy zupełnie nowe możliwości ewolucji Plutona, które można zastosować do innych obiektów”. Pas Kuipera Przedmioty również.”

Widok Plutona wykonany przez należącą do NASA sondę kosmiczną New Horizons 14 lipca 2015 r. Źródło zdjęcia: NASA/Laboratorium Fizyki Stosowanej Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa/Instytut Badań Południowo-Zachodnich

Podzielone serce

„Serce”, zwane także tombo regio, natychmiast po jego odkryciu przykuło uwagę publiczności. Ale od razu przykuł uwagę naukowców, ponieważ jest pokryty materiałem o wysokim albedo, który odbija więcej światła z otoczenia, tworząc bielszy kolor. Ale serce nie składa się z jednego elementu. Sputnik Planitia obejmuje obszar o wymiarach około 750 na 2050 mil, czyli około jednej czwartej wielkości Europy i Stanów Zjednoczonych. Uderzające jest jednak to, że wysokość tego obszaru jest około 4,5 mili niższa niż większość powierzchni Plutona.

„Podczas gdy zdecydowana większość powierzchni Plutona składa się z lodu metanowego i jego pochodnych pokrywających skorupę lodu wodnego, Planitia jest w większości wypełniona lodem azotowym, który prawdopodobnie nagromadził się szybko po uderzeniu ze względu na małą wysokość” – powiedział główny autor. Uczestnikiem badania był Harry Ballantyne, pracownik naukowy w Bernie. Wschodnia część jądra jest również pokryta podobną, choć znacznie cieńszą warstwą lodu azotowego, którego pochodzenie pozostaje niejasne dla naukowców, ale prawdopodobnie ma związek ze Sputnik Planitia.

Efekt pochylenia

Według Martina Goetze z Uniwersytetu w Bernie, który zainicjował badania, wydłużony kształt i położenie Sputnik Planitia na równiku zdecydowanie sugerują, że uderzenie nie było bezpośrednim zderzeniem, ale raczej ukośnym. Podobnie jak wiele innych obiektów na świecie, zespół wykorzystał oprogramowanie do symulacji hydrodynamiki cząstek gładkich, aby cyfrowo odtworzyć takie uderzenia, zmieniając konfigurację Plutona i jego ciała uderzeniowego, a także prędkość i kąt uderzenia. Symulacje te potwierdziły podejrzenia naukowców dotyczące ukośnego kąta uderzenia i pozwoliły określić konfigurację obiektu uderzenia.

„Jądro Plutona jest tak zimne, że skała pozostała bardzo solidna i nie stopiła się pomimo ciepła uderzenia, a dzięki kątowi uderzenia i małej prędkości rdzeń uderzeniowy nie zapadł się w jądro Plutona, a raczej pozostał nienaruszony w wyniku uderzenia do niego” – powiedział Ballantyne. „To była podstawowa siła i mała prędkość.” Sonda Horizons podczas przelotu obok Plutona w 2015 roku.

„Przyzwyczailiśmy się myśleć o zderzeniach planet jako o niezwykle intensywnych zdarzeniach, w których można zignorować szczegóły, z wyjątkiem takich czynników, jak energia, pęd i gęstość” – powiedział Eric Asfaugh, profesor Lunar and Planetary Laboratory i współautor badania, którego zespół współpracował z zespołem badawczym. Od 2011 roku szwajcarscy koledzy badają koncepcję „eksplozji” planet, aby wyjaśnić na przykład cechy po niewidocznej stronie ziemskiego księżyca. „W odległym Układzie Słonecznym prędkości są znacznie mniejsze niż te bliższe Słońca, a stały lód jest mocny, dlatego obliczenia muszą być bardziej precyzyjne. Tutaj zaczyna się zabawa”.

Na Plutonie nie ma podziemnego oceanu

Obecne badanie rzuca również nowe światło na wewnętrzną strukturę Plutona. W rzeczywistości gigantyczne zderzenie, takie jak to symulowane, prawdopodobnie miało miejsce znacznie wcześniej w historii Plutona niż w czasach współczesnych. Stanowi to jednak problem: oczekuje się, że gigantyczna depresja, taka jak Sputnik Planitia, z czasem będzie powoli dryfować w stronę bieguna planety karłowatej ze względu na prawa fizyki, ponieważ jest mniej masywna niż jej otoczenie. Pozostał jednak blisko równika. Poprzednie wyjaśnienie teoretyczne opierało się na istnieniu oceanu wody w stanie ciekłym pod powierzchnią Ziemi, podobnego do wielu innych ciał planetarnych w zewnętrznym Układzie Słonecznym. Zgodnie z tą hipotezą lodowa skorupa Plutona byłaby cieńsza w regionie Sputnik Planitia, powodując wybrzuszenie oceanu w górę, a ponieważ woda w stanie ciekłym jest gęstsza od lodu, powodując nadwyżkę masy, która spowodowałaby migrację w kierunku równika.

Nowe badanie oferuje alternatywny pogląd, zdaniem autorów, wskazując na symulacje, w których prymitywny płaszcz Plutona zostaje całkowicie odkopany w wyniku uderzenia, a gdy materiał rdzenia impaktora spada na rdzeń Plutona, tworzy się lokalna nadwyżka masy, która może wyjaśnić migrację w kierunku równika bez oceanu podpowierzchniowego lub co najwyżej bardzo cienkiego oceanu.

Denton, który rozpoczął już projekt badawczy mający na celu oszacowanie szybkości tej migracji, powiedział, że nowa i innowacyjna hipoteza pochodzenia serca Plutona może pomóc w lepszym zrozumieniu pochodzenia planety karłowatej.

Odniesienie: „Sputnik Planitia jako pozostałość po uderzeniu wskazuje na starożytną masę skalną na bezoceanicznym Plutonie” autorstwa Harry’ego A. Ballantyne’a, Erica Asfougha i C. Aden Denton, Alexander Emsenhuber i Martin Goetze, 15 kwietnia 2024 r., Astronomia przyrodnicza.
doi: 10.1038/s41550-024-02248-1