科學探索：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”。2015年，當美國航空航天局（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。這個盆地的獨特形狀吸引了行星地質學家的注意：這似乎是由一次古老的撞擊事件塑造出的“碗狀”區(qū)域，如今它已經被冰冷的固態(tài)氮氣所覆蓋，當溫度在白天升高時，固態(tài)氮氣還會變成氮氣蒸汽，飄蕩在盆地上空。
不過，“新視野”號并沒有在冥王星的另一側拍到高質量的圖像。當它匆匆一瞥時，只在斯普特尼克平原所對應的另一側發(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構?？茖W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首。當科學家重新模擬了當時的撞擊事件后發(fā)現(xiàn)，這次事件產生的地震波不僅影響了事件發(fā)生點附近的區(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150千米的液態(tài)海洋有關。
在今年3月的月球與行星科學會議（Lunar and Planetary Science Conference）上，科學家不僅提出了上述觀點，還展示了相關的模型。詹姆斯·塔特爾·基恩（James Tuttle Keane，并未參與這項研究）是NASA噴氣推進實驗室的行星科學家，他認為，將撞擊事件與超遠距離以外的地質特征聯(lián)系在一起，進而推測冥王星的內部結構“是一種特別新奇的想法”。
美國北加利福尼亞州立大學的行星地質學家保羅·波恩（Paul Byrne，并未參與這項研究）認為，如果模擬行星地震的方法確實站得住腳，或許還可以從冥王星的各種地質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。
美國楊百翰大學的行星科學家賈尼·雷德伯格（Jani Radebaugh，并未參與這項研究）認為，這項研究提醒我們，“新視野”號與冥王星“擦肩而過”的過程，在科學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，科學家都可以使用機器人探測地震波，進而利用地震波的反射、偏轉和扭曲等特征分析傳播地震波的介質，以此反推出星體的地下結構。但是，他們卻無法在冥王星上使用這種方法探測地層結構，因為科學家還無法在近期將機器人探測設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，準確說是正對側，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，可以說是獨一無二的”?？茖W家長期認為，這片區(qū)域的形成與卡洛里斯盆地遭遇的暴力沖擊有關。也許整個過程與冥王星上的那片區(qū)域類似，也就是，當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）是美國普渡大學的行星地質學家，同時也是這項研究的第一作者，他說：“（我們）可以讓冥王星被轟擊無數(shù)次。”
在無數(shù)次的模擬中，科學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構形變的應力波，而應力波的傳播取決于傳播介質中的聲速。因此，應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，這種巖石傳播應力波的速度比其他可能的候選項更慢。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，當沖擊產生巨大的能量時，還有很多能量通過液態(tài)海洋傳播到事件發(fā)生點的正對側。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，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，“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，想要精細地挖掘背側展示出的信息，并沒有那么容易。基恩說，“當然，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：當揮發(fā)性的甲烷冰、二氧化碳冰以及氮氣冰在氣相和固相之間不斷相互轉變時，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，還有科學家開展了一項獨立研究，他們分析了水星上卡洛里斯盆地正對側的地形。研究認為，揮發(fā)性物質的變化方式確實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歷史。”
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


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