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冥王星何異之有——五大新研究揭開廬山真面目
圖解：冥王星剪影。圖源：NASA/JHUAPL/SWRI
2015年7月14日，數百萬人屏息注視着一架由他們自己製造的鋼琴大小的宇宙飛船駛近30億英里外的一塊冰冷的岩石。通過這架“新視野”號的眼睛，我們第一次看到了冥王星，為我們看到的一切大吃一驚。然而，隨着幾個月的時間過去，幾篇充滿乾貨的科學論文發表出來，很顯而易見的是，我們僅僅觸及了這個微小世界複雜性的表面。
圖解：新視野號拍攝冥王星與冥衞一。圖源：NASA/JHUAPL/SWRI
通過“新視野”號，我們看到了高聳的冰山，流動的氮氣雕刻的峽谷。一座座冰山漂浮在各色各樣的冰原上，橫跨全球的冰海。天空捕捉了光線並將其散射，形成了許多複雜的層次(其天空已被證實是藍色的)。冥王星周圍的小衞星像陀螺一樣瘋狂旋轉。同時一顆被稱為卡戎的衞星與冥王星成對並行。這個系統比行星科學家們想象中能在太陽系黑暗的外圍發現的任何系統都要複雜和動態得多。
發表在《科學》雜誌上的五項新研究開始講述冥王星及其奇怪的小衞星家族的故事。然而，儘管這些文件中包含的事實、數字和圖像令人印象深刻，但我們對它們的瞭解仍然非常有限。正如我在寫這篇文章時採訪的6位行星科學家告訴我的，我們仍然需要了解到底是什麼讓這個宇宙奇境運轉起來的。
圖源：NASA/JHUAPL/SWRI
簡而言之，我們已知的有以下這些。冥王星是一顆很小的行星，其直徑只有我們月球的70%，它被卡戎(Charon)的引力包圍着，這顆衞星的大小是它的一半，質量是它的八分之一。冥王星有一個巨大的岩石內核，其元素組成與地球相似。地核被一層水凍冰塊包裹，水凍冰塊又被一層包括氮氣、甲烷和一氧化碳在內的更易揮發的冰覆蓋。從內核地獄般的嚴寒到冥王星絢麗表面的温度變化，這三種易揮發的冰都在昇華、沉澱，並流經冥王星的表面。其結果是形成了令人驚訝的景觀多樣性，從形狀各異的平原到古老崎嶇的火山口，再到高聳的山脈，甚至可能形成冰火山。
“最令人驚訝的是它的地質多樣性。”新視野號地質物理成像團隊的負責人、描述冥王星地質論文的第一作者傑夫·摩爾在上這樣説，“我認為最大的收穫是冥王星在一切可能的方面都超出了我們的想象。”
最有趣和神秘的地質特徵之一是斯普特尼克平原，這是一個1000公里寬、沒有隕石坑的冰川盆地，位於湯博地區的西葉，也就是冥王星的“心臟”。以其塊狀、多邊形結構而著稱的斯普特尼克平原似乎正在積極地進化，正如洛厄爾天文台的威爾·格倫迪所説:“它正在慢慢地傾覆，就像一鍋隆隆作響的燕麥粥。”“這種冰對流背後的機制尚不清楚，但這可能是由於冥王星內部的熱量以及頂部的氮冰和下方的水凍冰塊之間的密度差異共同作用的結果。”
斯普特尼克平原部分的註釋視圖。圖源:NASA/JHUAPL/SWRI
“這比幾年前任何人想象的都要混亂得多。”格蘭迪説。他是一篇新論文的主要作者，這篇論文使用新視野號的拉爾夫儀器繪製了橫跨冥王星和卡戎表面冰的顏色和組成。“在地球上，我們有水，水可以蒸發，凝結，形成雪等等。我們不知道當有多個揮發性物質的時候會發生什麼，而冥王星在向我們展示。”
當我們上升到冥王星的大氣層時，情況也隨之變得很混亂，那是一個大約1500公里高的由氮氣和甲烷組成的圓形罩。由於某些複雜的光化學作用，以甲烷被紫外線照射為開端，冥王星的大氣中也含有少量較重的有機化合物，包括乙炔、乙烯和乙烷。這些分子最終形成一種類似於煤煙的微紅顆粒，它們被稱為索林斯。當索林斯被昏暗的陽光照射時，就會產生大量煙霧。
美國西南研究所的行星科學家、描述冥王星大氣的一篇新論文的主要作者蘭迪·格萊斯頓告訴:“這些迷霧令人震驚。”“一開始，我們根本不知道是什麼造成了這些迷霧。”
的確，在冥王星大氣的頭200到300公里處，有幾十個明顯的霧霾層，它們絕對令人歎為觀止。但它們究竟是如何形成的呢?在他的論文中，格萊斯頓和他的合著者提出，這些煙霧是由引力波產生的——具體來説不是引力波，而是冥王星大氣中的浮力波，它使索林斯粒子懸浮在不同的水平層上。我們需要更多的研究來驗證這個假設。
新視野號低空探查冥王星的另一個大驚喜是:上層大氣比我們預期的要冷得多，密度也大得多。事實上，在非常高的海拔地區，天氣變得非常寒冷，氮氣開始沉降，在太空邊緣僅留下一層薄薄的甲烷。
新視野號在飛越冥王星幾分鐘後回望太陽，拍下了這張令人震驚的照片。圖源:NASA/JHUAPL/SWRI
“當我們在高層大氣中看到如此少的氮時，我們感到很驚訝，”格萊斯頓説。“這對大氣向太空的流失有重大影響——大約是我們預期的五分之一。”
冥王星的大氣並不像我們最初認為的那樣容易泄漏，這一發現也在對太空環境的觀察中得到了證實。在太空環境中，逃逸的冥王星碎片與來自太陽的帶電粒子流相互作用。大氣與空間物理實驗室的弗蘭·巴格納爾(Fran Bagenal)是一篇描述冥王星空間環境的論文的第一作者，他告訴:“我們原以為會有物質從大氣中噴濺出來，這意味着大氣與太陽風相互作用的場地非常大。”“但事實相反，這個相互作用的區域非常小。”
冥王星的太空環境也非常乾淨。巴格納爾説:“我們認為，四顆小衞星加上卡戎，會有很多太空碎片。”但是新視野號的塵埃計數器在它快速通過星系的過程中發現了很少的遊離粒子。“我認為這告訴我們的是，任何由衞星形成所產生的塵埃都已經消散，”巴格納爾補充説。
這反過來又告訴我們，創造冥王星、卡戎和它們的四顆小衞星的史詩般的撞擊發生在很久很久以前。為了更多地瞭解這段精彩絕倫的歷史，在《科學》雜誌刊登的一篇論文對這些衞星進行了更詳細的研究。
Nix、Styx、Kerberos和Hydra是圍繞冥王星—卡戎雙星系統運行的小(直徑50公里以上)且閃亮的衞星。“這些衞星有相當數量的隕石坑，這將它們的形成推到了至少40億年前，”比爾·麥金農(Bill McKinnon)告訴。雖然衞星的組成還沒有確定，但它們足夠閃亮，我們可以確定它們是由冰構成的。它們可能是冥王星外殼的一部分，在大碰撞中被撕裂形成。
可能沒什麼更好聽的説法來描述：冥王星的小衞星行動是完全不正常的。它們的旋轉速度比它們本應旋轉的速度快得多，而且旋轉的角度也很瘋狂，就像搖動一個綁在旋轉裝置上的骰子一樣。我們不知道這是什麼原因造成的。
“誰知道這裏發生了什麼，”麥金農説。他補充道，雖然我們從未見過類似的情況，但有可能在我們太陽系中，一些圍繞較大行星運行的衞星也同樣混亂。“對於那些喜歡研究動力學的人來説，這只是大自然多樣性的又一個例子。”
發表的五篇論文都給出了我們的觀察結果，我在這裏對它們進行了簡要介紹。它們是對幾個月的數據進行了令人印象深刻的綜合，這些數據是從“新地平線”通過深空網絡下行連接而來的。令人難以置信的是，從冥王星飛掠而過所得的一半以上的數據仍然在一艘宇宙飛船上，它航行在柯伊伯帶漸行漸遠，因此在接下來的幾個月裏，我們無法拿回所有的數據。未來的數據不會對冥王星的故事有太大的改變，但它將有助於我們充實細節。
藍色的天空在冥王星的左邊。圖片:NASA/JHUAPL/SWRI
新視野號科學團隊的下一個重要目標是超越“是什麼”，並開始問“為什麼”。我在一開始就説過，儘管我們對冥王星做了很多觀察，但我們對它知之甚少。冥王星的山脈、荒地和山谷究竟是如何形成的?它們的演化速度有多快?是什麼過程重塑了冥王星的表面——這僅僅是陽光使冰昇華的問題，還是來自內部的熱量起了作用?為什麼冥王星能夠如此堅定地保留住它的大氣層?大氣層是如何與地面相互作用的?冥王星和冥衞一在過去是什麼樣子，它們是如何變化的?
我們現在才剛剛開始回答這些問題，不過沒關係。事實上，這比僅僅停留在“OK”更好。這意味着最好的發現還在我們前方。
作者: Maddie Stone
FY: 諾諾.
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