Фото: НАСА/Лаборатория прикладной физики Университета Джонса Хопкинса/Юго-Западный научно-исследовательский институт/Алекс Паркер.
Загадка того, как на поверхности Плутона появилась гигантская структура в форме сердца, наконец-то была раскрыта международной командой астрофизиков во главе с Бернским университетом и членами Национального центра компетенции в области исследований (NCCR) PlanetS. Команда первой успешно воспроизвела необычную форму с помощью численного моделирования, объяснив ее гигантским и медленным ударом под косым углом.
С тех пор, как в 2015 году камеры миссии НАСА «Новые горизонты» обнаружили на поверхности карликовой планеты Плутон большую структуру в форме сердца, это «сердце» озадачивало ученых своей уникальной формой, геологическим составом и высотой над уровнем моря. Группа ученых из Бернского университета, в том числе несколько членов NCCR PlanetS, и Аризонского университета в Тусоне использовали численное моделирование для изучения происхождения Sputnik Planitia, западной каплевидной части поверхности сердца Плутона.
Согласно их исследованиям, ранняя история Плутона была отмечена катастрофическим событием, которое сформировало Sputnik Planitia: столкновение с планетарным телом диаметром около 700 км, что примерно в два раза больше Швейцарии с востока на запад. Результаты команды, которые были недавно опубликованы в журнале Nature Astronomy, также предполагают, что внутренняя структура Плутона отличается от того, что предполагалось ранее, что указывает на отсутствие подземного океана.
Разделенное сердце
Сердце, также известное как Регион Томбо, привлекло внимание общественности сразу после своего открытия. Но он также сразу же привлек внимание ученых, потому что покрыт материалом с высоким альбедо, который отражает больше света, чем его окружение, создавая более белый цвет.
Однако сердце не состоит из одного элемента. Sputnik Planitia (западная часть) занимает площадь 1200 на 2000 километров, что эквивалентно четверти Европы или США. Однако поразительно то, что этот регион находится на три-четыре километра ниже по высоте, чем большая часть поверхности Плутона.
«Яркий внешний вид Sputnik Planitia обусловлен тем, что он преимущественно заполнен белым азотным льдом, который движется и конвектирует, постоянно сглаживая поверхность. Этот азот, скорее всего, быстро накопился после удара из-за меньшей высоты», — объясняет доктор Гарри Баллантайн. из Бернского университета, ведущий автор исследования.
Восточная часть сердца также покрыта аналогичным, но гораздо более тонким слоем азотного льда, происхождение которого учёным до сих пор неясно, но, вероятно, связано со Sputnik Planitia.
Художественное изображение огромного и медленного воздействия на Плутон, которое привело к образованию структуры в форме сердца на его поверхности. Фото: Бернский университет. Иллюстрация: Тибо Роже.
Косой удар
«Удлиненная форма Sputnik Planitia убедительно свидетельствует о том, что удар был не прямым лобовым, а скорее косым», — отмечает доктор Мартин Юци из Бернского университета, который инициировал исследование.
Поэтому команда, как и некоторые другие по всему миру, использовала свое программное обеспечение для моделирования гидродинамики сглаженных частиц (SPH), чтобы в цифровом виде воссоздать такие удары, изменяя как состав Плутона и его ударного элемента, так и скорость и угол ударного элемента. Это моделирование подтвердило подозрения ученых о косом угле удара и определило состав ударника.
«Ядро Плутона настолько холодное, что породы остались очень твердыми и не расплавились, несмотря на жар удара, а благодаря углу удара и малой скорости ядро ударника не погрузилось в ядро Плутона, а осталось нетронутым. как пятно на нем», — объясняет Баллантайн.
«Где-то под Спутником находится остаток ядра другого массивного тела, которое Плутон так и не переварил», — добавляет соавтор Эрик Асфауг из Университета Аризоны. Эта прочность ядра и относительно низкая скорость были ключом к успеху этого моделирования: более низкая прочность привела бы к очень симметричному остатку поверхности, который не похож на каплевидную форму, наблюдаемую New Horizons.
«Мы привыкли думать о столкновениях планет как о невероятно интенсивных событиях, в которых можно игнорировать детали, за исключением таких вещей, как энергия, импульс и плотность. Но в далекой Солнечной системе скорости намного медленнее, а твердый лед прочен, поэтому вы нужно быть гораздо более точным в своих расчетах. Вот здесь-то и начинается самое интересное», — говорит Асфауг.
Обе команды имеют большой опыт совместного сотрудничества, уже с 2011 года исследуя идею планетарных «пятен», чтобы объяснить, например, особенности обратной стороны Луны. После нашей Луны и Плутона команда Бернского университета планирует изучить аналогичные сценарии для других тел внешней Солнечной системы, таких как похожая на Плутон карликовая планета Хаумеа.
На Плутоне нет подземного океана
Текущее исследование также проливает новый свет на внутреннюю структуру Плутона. На самом деле, гигантский удар, подобный смоделированному, скорее всего, произошел в самом начале истории Плутона. Однако это создает проблему: ожидается, что гигантская депрессия, подобная Sputnik Planitia, со временем будет медленно перемещаться к полюсу карликовой планеты из-за законов физики, поскольку у нее дефицит массы. И все же, как это ни парадоксально, он находится недалеко от экватора.
Предыдущее теоретическое объяснение заключалось в том, что у Плутона, как и у некоторых других планетарных тел во внешней Солнечной системе, есть подземный океан с жидкой водой. Согласно этому предыдущему объяснению, ледяная корка Плутона в районе Равнины Спутника будет тоньше, что приведет к вздутию океана там, а поскольку жидкая вода плотнее льда, в конечном итоге получится избыток массы, вызывающий миграцию к экватору.
Однако новое исследование предлагает альтернативную точку зрения. «В наших симуляциях вся первичная мантия Плутона разрушается в результате удара, и когда материал ядра ударника разбрызгивается на ядро Плутона, это создает локальный избыток массы, который может объяснить миграцию к экватору без подземного океана или, в лучшем случае, очень тонкий», — объясняет Мартин Юци.
Доктор Адин Дентон из Университета Аризоны, также соавтор исследования, в настоящее время проводит новый исследовательский проект, чтобы оценить скорость этой миграции. «Это новое и изобретательное происхождение сердцевидной особенности Плутона может привести к лучшему пониманию происхождения Плутона», — заключает она.
Информация от: Бернским университетом
