Міжнародну команду астрофізиків під керівництвом Бернського університету та членів Національного дослідницького центру (NCCR) PlanetS нарешті розкрила таємниця того, як Плутон отримав гігантську форму серця на своїй поверхні. Команда перших успішно відтворила незвичайну форму за допомогою чисельного моделювання, приписавши це гігантському та повільному удару під косим кутом.
З того часу, як у 2015 році камери місії NASA New Horizons виявили велику структуру у формі серця на поверхні карликової планети Плутон, це «серце» спантеличило вчених своєю унікальною формою, геологічним складом і висотою. Команда вчених з Бернського університету, включаючи кількох членів NCCR PlanetS, і Університету Арізони в Тусоні використовували чисельне моделювання, щоб дослідити походження Sputnik Planitia, західної краплеподібної частини поверхні серця Плутона.
Згідно з їхніми дослідженнями, рання історія Плутона була відзначена катаклізмом, який сформував планету Sputnik: зіткнення з планетарним тілом діаметром приблизно 700 км, що приблизно вдвічі перевищує розмір Швейцарії зі сходу на захід. Висновки команди, які нещодавно були опубліковані в Nature Astronomy, також свідчать про те, що внутрішня структура Плутона відрізняється від того, що вважалося раніше, вказуючи на відсутність підповерхневого океану.
Розділене серце
Серце, також відоме як Tombaugh Regio, привернуло увагу публіки одразу після свого відкриття. Але він також одразу зацікавив науковців, оскільки він покритий матеріалом з високим альбедо, який відбиває більше світла, ніж його оточення, створюючи його білий колір.
Однак серце не складається з одного елемента. Sputnik Planitia (західна частина) займає площу 1200 на 2000 кілометрів, що еквівалентно чверті Європи або США. Однак вражає те, що цей регіон на три-чотири кілометри нижчий за висоту більшої частини поверхні Плутона.
«Яскравий вигляд Sputnik Planitia пояснюється тим, що він переважно заповнений білим азотним льодом, який рухається та конвекційно постійно вирівнює поверхню. Цей азот, швидше за все, накопичився швидко після удару через низьку висоту», — пояснює доктор Гаррі Баллантайн. з Університету Берна, провідний автор дослідження.
Східна частина серця також покрита подібним, але набагато тоншим шаром азотного льоду, походження якого вченим досі незрозуміло, але, ймовірно, пов’язане із Sputnik Planitia.
Косий удар
«Витягнута форма Sputnik Planitia переконливо свідчить про те, що зіткнення було не прямим лобовим зіткненням, а скоріше косим», — зазначає доктор Мартін Ютці з Бернського університету, який ініціював дослідження.
Тож команда, як і кілька інших у всьому світі, використала своє програмне забезпечення для моделювання гідродинаміки згладжених частинок (SPH), щоб цифрово відтворити такі зіткнення, змінюючи як склад Плутона та його ударний елемент, так і швидкість і кут ударного елемента. Це моделювання підтвердило підозри вчених щодо похилого кута удару та визначило склад ударника.
«Ядро Плутона настільки холодне, що каміння залишилося дуже твердим і не розплавилося, незважаючи на тепло від удару, і завдяки куту удару та низькій швидкості ядро ударного елемента не затонуло в ядро Плутона, а залишилося цілим. як знак на ньому”, – пояснює Баллантайн.
«Десь під Супутником є залишок ядра іншого масивного тіла, яке Плутон так і не перетрав», — додає співавтор Ерік Асфауг з Університету Арізони. Ця міцність ядра та відносно низька швидкість були ключовими для успіху цих симуляцій: менша міцність призведе до дуже симетричної залишкової поверхні, яка не буде схожа на краплеподібну форму, яку спостерігає New Horizons.
«Ми звикли думати про зіткнення планет як про неймовірно інтенсивні події, де ви можете ігнорувати деталі, за винятком таких речей, як енергія, імпульс і щільність. Але в далекій Сонячній системі швидкості набагато нижчі, а твердий лід міцний, тому ви потрібно бути набагато точнішим у своїх розрахунках, – каже Асфауг.
Дві команди мають тривалий досвід спільної співпраці, починаючи з 2011 року, досліджуючи ідею планетарних «вкраплень», щоб пояснити, наприклад, особливості зворотного боку Місяця. Після нашого Місяця та Плутона команда Бернського університету планує вивчити подібні сценарії для інших зовнішніх тіл Сонячної системи, таких як Плутоноподібна карликова планета Хаумеа.
На Плутоні немає підземного океану
Нинішнє дослідження також проливає нове світло на внутрішню структуру Плутона. Насправді гігантський удар, подібний до змодельованого, швидше за все, стався на дуже ранньому етапі історії Плутона. Однак це створює проблему: очікується, що гігантська западина, така як Sputnik Planitia, з часом повільно рухатиметься до полюса карликової планети через закони фізики, оскільки вона має дефіцит маси. Але це парадоксально поблизу екватора.
Попереднє теоретичне пояснення полягало в тому, що Плутон, як і деякі інші планетарні тіла зовнішньої Сонячної системи, має підповерхневий рідкий водний океан. Відповідно до цього попереднього пояснення, крижана кора Плутона була б тоншою в регіоні Sputnik Planitia, що призвело б до вибухання океану там, а оскільки рідка вода щільніша за лід, ви б отримали надлишок маси, який спонукає міграцію до екватора.
Однак нове дослідження пропонує альтернативну перспективу. «У нашому моделюванні вся первісна мантія Плутона була розкопана в результаті удару, і коли матеріал ядра ударника потрапляє на ядро Плутона, це створює локальний надлишок маси, який може пояснити міграцію до екватора без підповерхневого океану, або щонайбільше дуже тонкий”, – пояснює Мартін Джуці.
Доктор Адін Дентон з Університету Арізони, також співавтор дослідження, зараз проводить новий дослідницький проект, щоб оцінити швидкість цієї міграції. «Це нове та винахідливе походження серцеподібної риси Плутона може допомогти краще зрозуміти походження Плутона», – підсумовує вона.