科學(xué)探索：穿透行星的地震波

在冥王星上，有一個叫做湯博區(qū)（Tombaugh Regio）的心形區(qū)域，這片區(qū)域可謂是冥王星的“亮點(diǎn)”。2015年，當(dāng)美國航空航天局（NASA）的“新視野”號（New Horizon）探測器飛越冥王星時，清晰地捕獲了這片面積巨大、反射度又特別高的地質(zhì)單元。
在湯博區(qū)的西面，是一片名為斯普特尼克平原（Sputnik Planitia）的盆地，周長近2000千米。這個盆地的獨(dú)特形狀吸引了行星地質(zhì)學(xué)家的注意：這似乎是由一次古老的撞擊事件塑造出的“碗狀”區(qū)域，如今它已經(jīng)被冰冷的固態(tài)氮?dú)馑采w，當(dāng)溫度在白天升高時，固態(tài)氮?dú)膺€會變成氮?dú)庹羝?，飄蕩在盆地上空。
不過，“新視野”號并沒有在冥王星的另一側(cè)拍到高質(zhì)量的圖像。當(dāng)它匆匆一瞥時，只在斯普特尼克平原所對應(yīng)的另一側(cè)發(fā)現(xiàn)了一片奇怪的區(qū)域。這里看上去非常雜亂，有各種土堆、深坑，以及如同鋸齒裂縫般的結(jié)構(gòu)?？茖W(xué)家不太清楚為什么會形成這樣的特征，所以提出了各種不同的猜想，推測這片區(qū)域的起源。
最新的研究表明，塑造出斯普特尼克平原的那次沖擊事件可能是罪魁禍?zhǔn)?。?dāng)科學(xué)家重新模擬了當(dāng)時的撞擊事件后發(fā)現(xiàn)，這次事件產(chǎn)生的地震波不僅影響了事件發(fā)生點(diǎn)附近的區(qū)域，甚至影響到了整個冥王星。更重要的是，無論是地震波的傳播過程，還是那片特殊區(qū)域的形成過程，都可能與冥王星上一片深達(dá)150千米的液態(tài)海洋有關(guān)。
在今年3月的月球與行星科學(xué)會議（Lunar and Planetary Science Conference）上，科學(xué)家不僅提出了上述觀點(diǎn)，還展示了相關(guān)的模型。詹姆斯·塔特爾·基恩（James Tuttle Keane，并未參與這項(xiàng)研究）是NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的行星科學(xué)家，他認(rèn)為，將撞擊事件與超遠(yuǎn)距離以外的地質(zhì)特征聯(lián)系在一起，進(jìn)而推測冥王星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)“是一種特別新奇的想法”。
美國北加利福尼亞州立大學(xué)的行星地質(zhì)學(xué)家保羅·波恩（Paul Byrne，并未參與這項(xiàng)研究）認(rèn)為，如果模擬行星地震的方法確實(shí)站得住腳，或許還可以從冥王星的各種地質(zhì)事件中挖掘出更多的秘密。不僅如此，這套理論框架或許還能擴(kuò)展到各種冰封的行星和衛(wèi)星上，包括太陽系中冰凍巨行星的各種衛(wèi)星，以及隱藏在柯伊伯帶（Kuiper Belt）中的無數(shù)冰凍巨獸。
美國楊百翰大學(xué)的行星科學(xué)家賈尼·雷德伯格（Jani Radebaugh，并未參與這項(xiàng)研究）認(rèn)為，這項(xiàng)研究提醒我們，“新視野”號與冥王星“擦肩而過”的過程，在科學(xué)上具有無可估量的價值。
直到目前為止，冥王星的表層之下?lián)碛幸黄簯B(tài)海洋的觀點(diǎn)依然只是一種猜想，還需要更多的證據(jù)證明它的存在。無論是在地球、月球甚至火星上，科學(xué)家都可以使用機(jī)器人探測地震波，進(jìn)而利用地震波的反射、偏轉(zhuǎn)和扭曲等特征分析傳播地震波的介質(zhì)，以此反推出星體的地下結(jié)構(gòu)。但是，他們卻無法在冥王星上使用這種方法探測地層結(jié)構(gòu)，因?yàn)榭茖W(xué)家還無法在近期將機(jī)器人探測設(shè)備送往幾十億千米以外的冥王星上。
值得慶幸的是，在距離我們更近的水星上，依然藏著一絲驗(yàn)證上述猜想的希望。水星上有一片叫卡洛里斯盆地（Caloris Basin）的區(qū)域，是一個周長1500千米的撞擊坑。巧合的是，在這個撞擊坑的對側(cè)，準(zhǔn)確說是正對側(cè)，也存在一片特殊的區(qū)域。這片區(qū)域也是由破碎的巖石堆積而成的，區(qū)域內(nèi)的地形依然起伏不平。雷德伯格表示，“在水星上，這片區(qū)域的特征非常明顯，可以說是獨(dú)一無二的”?？茖W(xué)家長期認(rèn)為，這片區(qū)域的形成與卡洛里斯盆地遭遇的暴力沖擊有關(guān)。也許整個過程與冥王星上的那片區(qū)域類似，也就是，當(dāng)卡洛里斯盆地遭遇重大的沖擊事件后，才在盆地的正對面形成了一片起伏不平的地形。
基于這種推測，科學(xué)家提出來一個問題：能不能通過重現(xiàn)冥王星上的地震找出答案？在模擬的過程中，他們使用了iSALE模型，這是一套能夠模擬行星尺度沖擊和重現(xiàn)沖擊波物理特性的模型。艾登·登頓（Adeene Denton）是美國普渡大學(xué)的行星地質(zhì)學(xué)家，同時也是這項(xiàng)研究的第一作者，他說：“（我們）可以讓冥王星被轟擊無數(shù)次?！?br> 在無數(shù)次的模擬中，科學(xué)家找出了一種最能夠體現(xiàn)冥王星特征的過程。這需要一個直徑400千米的星體以每小時7000多千米的速度撞向這顆矮行星。在這個模型中，隨著斯普特尼克平原的形成，巨大的沖擊波開始席卷冥王星。隨后，沖擊波會演變成能夠造成結(jié)構(gòu)形變的應(yīng)力波，而應(yīng)力波的傳播取決于傳播介質(zhì)中的聲速。因此，應(yīng)力波在冥王星的巖石核心間快速來回震蕩，而在表面的冰殼中以相對較慢的速度傳播，對于夾在這兩層中的150千米厚的液態(tài)水海洋而言，應(yīng)力波的傳播速度會更緩慢。
然而，在契合度最好的模擬中，冥王星的核心由蛇紋石組成的，這種巖石傳播應(yīng)力波的速度比其他可能的候選項(xiàng)更慢。此時，冥王星核心處的聲速與海洋處的聲速差異并不太大。這種奇特的現(xiàn)象就會造成一種更奇特的效果：與其他情況相比，當(dāng)沖擊產(chǎn)生巨大的能量時，還有很多能量通過液態(tài)海洋傳播到事件發(fā)生點(diǎn)的正對側(cè)。這就意味著，有更多的能量傳到了斯普特尼克平原的正對側(cè)，這些能量足以造成“新視野”號觀察到的特征。
不過，相對于斯普特尼克平原這一側(cè)，“新視野”號探測器并沒有在冥王星的另一邊獲得同樣清晰的信息，那里的圖像分辨率并不高。換句話說，想要精細(xì)地挖掘背側(cè)展示出的信息，并沒有那么容易?；髡f，“當(dāng)然，也有很多不同的方式都能形成我們所觀察到的奇怪特征?！逼渲杏幸环N影響范圍比較大的可能性：當(dāng)揮發(fā)性的甲烷冰、二氧化碳冰以及氮?dú)獗跉庀嗪凸滔嘀g不斷相互轉(zhuǎn)變時，逐漸蠶食了冥王星的地形。這種猜測可以解釋我們所觀察到的不同尋常的地形，包括斯普特尼克平原正對面那一片高低起伏的地形。最近，還有科學(xué)家開展了一項(xiàng)獨(dú)立研究，他們分析了水星上卡洛里斯盆地正對側(cè)的地形。研究認(rèn)為，揮發(fā)性物質(zhì)的變化方式確實(shí)也能形成那種高低起伏的地形。
不過，如果通過模擬確定的模型是正確的，就會為冥王星（以及其他冰凍星體）上可能存在地下海洋的猜想增加可信度。登頓表示，這些星體將不單單是凍透了的雪球，“它們可能更有意思，可能具有更豐富的地質(zhì)歷史?！?br> 撰文：羅賓·喬治·安德魯斯（Robin George Andrews）
翻譯：董子晨曦
文章來源：環(huán)球科學(xué)


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