令人驚異和困惑的冥王星

此文受《科學畫報》雜誌之邀翻譯，譯自2015年7月25號刊Newscientist雜誌。譯文刊在2017年5月號《科學畫報-新知版》。圖片1取自網路，圖片2來自原文。

圖1 斯普特尼克（Sputnik）平原與附近的冰山

作為太陽系外圍的矮行星而言，冥王星就是一個怪物，因為它看上去就像不同地貌環境「縫合」在一起的世界。山脈與地球上的類似，有3千米高，只是由凍冰構成。逃逸氣體在太陽風的作用下，就像彗星揮發的彗尾。像海衛一（特里同）冰面一樣光滑的表面緊挨著像火山上高原似的破碎地帶。

當上周美國航空航天局（NASA）「新視野」號探測器發回第一批冥王星及其衛星的高清照片后，其地貌奇觀就令研究者大為驚嘆。這顆矮行星不像我們曾經「造訪」過的任何星體。冥王星最大的衛星——卡戎，也是如此。

這種驚奇已經讓最有經驗的冥王星研究專家變成了充滿驚異的調查員，他們正為矮行星的這種古怪地貌特徵進行編目，以試圖找到相應解釋。接下來幾年，從「新視野」號傳回的地貌圖將被下載、分析研究，這項工作異常棘手。

在上周獲得的數據中，最令人震驚的是冥王星和卡戎表面的光滑區域。在探測器抵達之前，研究人員期待看到一對布滿環形山的世界，因為它們形成在太陽系誕生之初，應該被撞擊得遍體鱗傷。計算環形山的數目是確定行星表面年代的一種方法，因為撞擊產生的環形山數目會隨著時間以已知的速度增加。現在我們知道冥王星和卡戎均有小行星撞擊產生的疤痕。這種未被注意到的地貌從地質學的角度講，至少對行星的時間尺度而言，它們新近很活躍。

上周的新聞發布會上，任務小組負責人艾倫·斯特恩說：「現在我們知道冥王星是一顆（誕生）45億年後仍活躍的一顆小行星。」他現場展示了冥王星表面的第一張高解析度照片，並說道：「我認為許多地球物理學家會對它產生興趣。」

或許最令人費解的地質現象在一處叫「斯普特尼克平原」的地區，那裡表面的冰原被切割成大約20千米寬的多邊形巨塊。美國國家航空航天局阿姆斯研究中心的地質學家傑夫·莫爾說：「當我第一次看到它的照片時，我便決定稱其為『難以解釋』的地貌。」這種地表就像泥面收縮產生的破裂一樣，或者說是冥王星內部的對流熱融化了地表，就像一鍋沸騰的粥。

這一機製造成可以產生足夠的能量以消除形成的環形山。這種光滑的地表同樣可以在海衛一上看到，直到上周後者才被認為是像冥王星的另一個小冰體。不過海王星的引力通過一種叫潮汐熱作用的過程加熱並重塑了海衛一。

同樣的過程並未發生在冥王星和卡戎之間，因為它們發生了「潮汐鎖定」，即彼此永遠以同一面相對（譯註：就像地球和月球）。馬薩諸塞惠頓學院的地質學家傑弗里·柯林斯說：「我們知道那一過程已經結束了，不過問題是，到底是何時結束的？」在「新視野」號之前，一直認為在距今44-45億年前原冥王星和原卡戎之間有過一次碰撞，產生了我們現在看到的雙星系統。

假如碰撞晚些發生的話，可以讓兩顆小行星保持余能，或許能夠成為太陽系的成員。

團隊地質學家說，冥王星內部也可以隨著放射性元素的緩慢衰變而變熱，這些元素是太陽系形成時留下的。另一種可能是，被覆蓋海洋的逐漸冰凍幫助矮行星保留了最後一點從其誕生時產生的熱量。更多可靠的結論還有待更多的數據支持。

鋸齒狀山脈星羅棋布地分佈在冥王星表面的高清照片上，它們被認為由冰水組成，同時預示了其下無法解釋的地質活動。亞利桑那州洛厄爾天文台的團隊成員威爾·格倫迪說：「山脈形成的傳統方式是地質作用的推擠而成，若是撕裂則會形成火山。但是冥王星的地貌完全不同。」

柯林斯認為，這些山脈可以阻止一些地質現象。在他看來，它們有些像地球冰川上伸出的石山頂峰，即冰原島峰。冥王星上的冰原島峰可能是伸出其他冰層的水冰，也許是冰凍甲烷，它們從冥王星的大氣層中像雪一樣落下來覆蓋住了環形山。很難說究竟是什麼，因為我們對於不同的冰在非常低的溫度下如何相互作用了解不多。

不僅僅是冥王星的地質情況蘊含了令人驚奇的活力。當「新視野」號探測器離開冥王星五天後，它發現了逃離大氣層的被電離的氮氣分子，遠比研究團隊預想得要多。最近的研究結果顯示，這些氣體在太陽風的帶電離子流中被吹開，好像成了冥王星身後的「尾巴」。這證實了一個長期的猜疑，即冥王星正經歷著一個過程，這一過程很久之前在其他行星也發生過。這便給我們提供了一個回溯過去的窗口。

過去我們從未在這種規模上研究逃逸氣體，因為這一過程已經在別的行星上或多或少完成了。「新視野」號目睹了它實時發生的情形，無論是檢測到電離氮的光還是用攜帶的感測器直接捕獲粒子。

地球上最早的大氣層，是由氫和氦組成的毒氣，很大程度上也是以這種方式逃逸。它們是唯一能夠衝破地球強大引力的氣體分子。冥王星上的氮氣較重，並且是組成當前地球和冥王星大氣層的最主要氣體，也可以逃逸。

同樣的情形也發生在早期火星上，液態水蒸發到大氣層外，使火星乾枯下來。「探測冥王星便可以驗證我們有關火星上這種特殊逃逸的理論」，科羅拉多大學博爾德分校的團隊成員弗蘭·巴格納爾說。

巴格納爾說，迄今為止，每小時大約有500噸的氮氣逃逸冥王星的大氣層。計算出準確的逃逸速度是研究的重中之重。它將幫助團隊與太陽系過去類似行為的理論作對比分析。「新視野」號發現大氣層比預期的薄，氣體可能來自矮行星自身。

團隊地質學家說，這意味著氮氣逃逸冥王星表面就像「旅行者」號探測器在海衛一看到的一樣。（照片中）黑狀物旁邊的污點可能是岩漿柱的間接證據，儘管研究團隊認為這些特徵看上去更像條狀紋理，那裡風速可達到每秒數米，吹開了表面的障礙物。

「新視野」號拍攝的照片說明了一顆快速收縮的冥王星能夠產生這些岩漿柱，它們被遙遠的日光所照亮。原因可能與地熱有關，過去認為是地熱形成了冥王星上的山脈並使其地表變得光滑。或者說，一層厚厚覆蓋冥王星表面的氮冰可以轉化成氣體並漂浮到大氣層。

對冥王星系統而言，還有很多需要去了解。它最大的衛星——卡戎，其地貌種類遠比研究團隊想象得豐富。海德拉（冥衛三）是四個較小衛星之一，表面就像花生殼一樣粗糙，很可能覆蓋著髒的水冰。我們也短暫留意了另一顆衛星——冥衛二（尼克斯），在未來數月，我們還將看到最終剩餘的兩顆（請讀：「新視野」號下一步去哪？）。

隨著數據不斷傳回，這些矮行星世界終將一覽無餘。行星科學家會把所有毫不相關的部分聯繫為一個整體。研究人員在面對困惑的同時也充滿了好奇，有關冥王星的發現顯示了它完全像我們探測過的其他行星一樣複雜。斯特恩說：「我認為（直到現在）太陽系保留了它最棒的形態。」

附：「新視野」號下一步去哪？

征途還未結束。「新視野」號團隊希望在2018或2019年這顆探測器能夠造訪別的柯伊伯帶天體。所謂柯伊伯帶天體是指處在太陽系邊緣的冰凍小行星，其中冥王星是最大的。

哈勃望遠鏡的一項搜尋已確認了兩個目標。「新視野」號探測器的燃料僅夠其造訪其一，今年（2015年）晚些時候將會做出決定。研究團隊也說服了航空航天局解囊以擴展該研究計劃。

造訪別的「家族成員」的一個理由是，這將有助於理解本周獲得的數據。「新視野」號只是短暫地掠過冥王星的四顆小衛星，不過它們和柯伊伯帶目標天體的大小差不多。

問題是，冥王星的衛星是否像柯伊伯帶的其他天體一樣，是太陽系誕生留下的原始樣本呢？這些衛星很可能是產生了冥王星和卡戎的那次碰撞飛出去的「彈片」。若是如此，它們的表面將會完全重塑，絕不會像其他柯伊伯帶天體。「新視野」號的探測是唯一獲得真相的辦法。

圖2：從冰山到原始平原（下圖為原文部分插圖）