冥王星的黑暗面泄露了它的秘密-包括隐藏海洋的暗示

2015年，当美国国家航空航天局(NASA)的新地平线号(New Horizons)航天器飞过冥王星时，它展示了一个比任何人想象的更具活力的世界。这颗矮行星拥有类似挪威崎岖海岸的冰冷氮质悬崖，以及高耸至摩天大楼高度的巨大甲烷冰碎片。比大峡谷更深的裂缝在表面留下疤痕，而冰冷的火山则比珠穆朗玛峰更高。在遥远的球体的一个部分，航天器的相机捕捉到了一个巨大的心形特征，引起了地球上无数粉丝的集体晕倒。

科罗拉多州博尔德市西南研究所的行星科学家、新地平线任务的副项目科学家莱斯利·杨(Leslie Young)说，“我原本以为冥王星是一个科学仙境，但它并不一定要这么美丽。”他是科罗拉多州博尔德市西南研究所的行星科学家，也是“新地平线”任务的副项目科学家。

尽管科学家们在近五年前第一次捕捉到了令人瞠目结舌的一瞥，但他们仍然是第一次看到世界的图像。

当“新地平线”号到达这颗矮行星时，飞船正以每小时52,000公里的速度移动，速度如此之快，以至于只能捕捉到冥王星一侧的特写镜头-当时太阳照射的半球。另一个暂时笼罩在阴影中。现在，科学家们已经仔细研究了这些“近侧”特写镜头，他们开始分析另一半，这是宇宙飞船在飞过前几天拍摄的。研究人员称这个半球为远侧，甚至是黑暗面。

虽然这些图像不像后来拍摄的那样清晰(在这些图像中，可以看到小到大约75米的特征)，但它们仍然揭示了分辨率在2到30公里之间的地形。充其量，这比绕地球运行的哈勃太空望远镜拍摄的照片要好250倍。马里兰州巴尔的摩约翰·霍普金斯大学的行星科学家、“新地平线”项目科学家哈罗德·韦弗(Harold Weaver)说：“这些数据仍然很有看头。”“这是我们未来三四十年来最好的一次。”(这是假设另一艘宇宙飞船被送往冥王星，而且很快就会到达。)。

有了数百张要分析的图像，科学家们对这个活跃的世界有了一个新的视角-一个为它是如何形成的模糊细节提供了至关重要的洞察力，是否有海洋隐藏在它的冰壳之下，以及化合物冻结在大气中并雕刻其表面的复杂方式。这些数据甚至支持了这样一种观点，即寒冷的世界可能正好适合生活。

但这些图像呈现了一系列谜题。例如，摩天大楼状的冰块以前在近侧被看到，但现在似乎环绕着冥王星。这使得它们的起源成为这颗矮行星上最大的谜团之一。

“冥王星是不断给予的礼物，”剑桥麻省理工学院的行星科学家、“新地平线”项目的合作研究员理查德·宾泽尔(Richard Binzel)说。

90年前，当亚利桑那州弗拉格斯塔夫洛厄尔天文台的年轻天文学家克莱德·汤博(Clyde Tombaugh)发现冥王星时，它还是一个用最大的地面望远镜几乎看不见的光点。直到1988年，当冥王星碰巧穿过一颗遥远的恒星时，一次偶然的排列给了天文学家一个幸运的机会。

当星光穿过冥王星的大气层时，科学家们能够解开那里的分子(包括氮、一氧化碳和甲烷)。然后在1996年，哈勃太空望远镜帮助科学家们最终在500公里的分辨率下看到了表面细节。虽然模糊，但这些图像揭示了一个世界-当时仍被定义为行星-它比太阳系中除地球以外的任何其他星球都具有更大的对比度。

这是一个诱人的暗示，表明冥王星可能是一个充满活力的世界-并在2015年7月迅速得到证实，当时新地平线号(New Horizons)在冥王星近侧赤道以北发现了一个著名的心形特征。在心脏的“左心室”内是Sputnik Planitia-一个冰川盆地，与巨大的冰川一起搅动和流动，科学家们现在知道它对冥王星的活动产生了非同寻常的影响。当阳光使冰冻的平原变暖时，一股冰的脉冲升华为水蒸气，在一天结束时又降回地面。这颗心甚至可能把冥王星撞翻了。

在第一批近侧图像到达地球后不久，加州大学圣克鲁斯分校(University of California，Santa Cruz)的行星科学家弗朗西斯·尼莫(Francis Nimmo)和他的同事们意识到，Sputnik Planitia处于一个奇怪的位置：它几乎与冥王星最大的卫星卡隆(Charon)完全相反。这可能是一场意外，但发生这种情况的可能性只有5%。相反，模型表明，当盆地形成时，地下海洋开始涌入深渊。之后，冥王星大气中的氮气在寒冷的盆地中凝结冻结。新水和冰的重量造成了沉重的负荷，使冥王星进入了目前的路线2。

地下海洋的想法已经存在了一段时间，但远端的图像帮助支持了这一想法。一些最有力的证据来自一种被称为混乱地形的特征--冥王星与斯普特尼克·普兰蒂亚(Sputnik Planitia)完全相反的一侧，一片杂乱无章的山脊、裂缝和平原(见“进入焦点”)。

科学家们以前在火星、水星和木星的卫星之一欧罗巴(Europa)上见过这样的对子，他们怀疑是小行星或彗星的碰撞发出的地震波在木星的身体上疾驰而过。一旦这些地震汇聚在相反的地平线上，它们就会以类似于冥王星远侧出现的方式撕裂地表。

为了测试这种混乱地形的起源，印第安纳州西拉斐特普渡大学(Purdue University)行星地质学研究生阿迪恩·丹顿(Adeene Denton)模拟了小行星撞击将如何在这颗矮行星上发出冲击波。这项工作实际上是在今年3月的月球和行星科学会议上展示的，它证实了这样的碰撞会创造出这种地形，但有一个警告：只有当冥王星拥有150公里厚的地下液态水海洋时，这才是可能的。

奥利弗·怀特(Oliver White)是加利福尼亚州山景城SETI研究所的行星科学家，他绘制了一张远侧地质图，但没有参与这项研究。他认为，尽管这一特征看起来确实与太阳系其他地方看到的相似，但图像中的分辨率很低。其他科学家也同意这一观点。密苏里州圣路易斯市华盛顿大学的行星科学家威廉·麦金农(William McKinnon)是新地平线(New Horizons)地质小组的副组长，他说：“我们永远不会知道，直到有一天我们回去。”

然而，冥王星有一些地质上的奇特之处-特别是在远端发现的大量裂缝-这为隐藏海洋的存在提供了支持，甚至揭示了它是如何形成的。

长期以来，对冥王星海洋进行理论推导的科学家们一直认为冥王星有一个“冷开始”，因为当这颗矮行星形成时，海洋已经结冰。后来，它会在岩石核心中衰变的放射性元素提供的热量下融化。尼莫说，在这种情况下，冰在融化时会收缩，导致表面出现波纹，类似于冰箱里剩下的苹果上出现的皱纹。然后，冰在重新结冰时会膨胀-导致表面出现裂缝。如果这种情况是正确的，冥王星表面的图像应该会显示出较老的皱纹和较新的裂缝。但“新地平线”只拍到了裂缝，这表明这颗矮行星的海洋最初是液态的，随着时间的推移已经部分冻结。

特别值得一提的是，远侧的图像显示了一个巨大的裂缝，它延伸到冥王星的近侧。现在，它似乎穿过北极，回到远侧的南极，从而包裹着整个矮行星1。这与东非裂谷系统相似，东非裂谷系统正在将该大陆一分为二。与地球上的那个不同，冥王星的裂缝不是大陆移动的迹象，而可能是冰冻和不断扩张的海洋留下的伤疤。尼莫说，因为裂缝非常古老，很明显液态海洋立即开始冷却。

如果是真的，海洋甚至可能已经成熟，适合生命的存在。对近侧可能从海洋中涌出的水的观察显示，它是红色的，这暗示着它被有机分子染上了污点。尽管在冥王星这样的星球上，这似乎是不可能的，但实验室实验表明，类似太阳风或宇宙射线的辐射可以产生红棕色的复杂有机物3。而且，如果氨存在，就有可能形成对生命至关重要的分子，包括RNA和DNA中存在的碱基。

因此，当加利福尼亚州莫菲特菲尔德NASA艾姆斯研究中心的行星科学家、新地平线合成团队副组长戴尔·克鲁克申克(Dale Cruikshank)和他的同事去年在《天体生物学》杂志上透露，冥王星的近侧冰既是红色的，又掺有氨4时，这是一个关键的迹象，表明该球体可能充满了有机分子。克鲁克申克说，这一理论在行星科学家中获得了很大的吸引力，但这并不意味着生命在冥王星上开始了，而是说，如果它被引入冥王星，它就可以存活下来。西南研究院行星科学家、执行该任务的副项目科学家凯西·奥尔金(Cathy Olkin)表示：“在”新地平线“号到达冥王星之前，我绝对不会想到，”天体生物学“杂志上会有一篇关于冥王星的文章。

来自远侧的结果支持了这一理论。它们显示出一条可能是有机物质的红色带，横跨赤道-对应于一个阳光最充足、气候最温和的地区1。“所以天体生物学家说你需要液态水、有机物和一种能源”来支持生命，西南研究所的行星科学家、该任务的首席研究员艾伦·斯特恩(Alan Stern)说。“对于液态水来说，有一个相当好的理由，而且它正在变得更强。现在我们有了有机物的箱子。所以这是选中的三个框中的两个，这是向前迈出的非常重要的一步。“。

除了帮助探索冥王星的生命潜力外，远端的测量还产生了一些谜团。

当来自“新地平线”的图像第一次到达地球时，科学家们注意到一个奇怪的地形，沿着近侧的最东端1公里处有摩天大楼大小的冰片。这些均匀分布的山脊相距只有几公里，但像刀子一样陡峭地耸立在空中，偶尔高达一公里-大约是纽约市帝国大厦高度的三倍。它们可以长达30公里。怀特说：“这将是一幅噩梦般的景观。”

但在科学家瞥见远侧之前，它们不过是地图上的一个小光点。虽然最新的地图模糊不清(分辨率太低，无法真正看到单独的山脊)，但很明显，刀锋状的地形一直围绕着远侧，并在近侧的西边再次出现，这是一个以前被忽视的区域1。在远侧，它们覆盖的面积是近侧的3.5倍--这使它们成为冥王星上最大的谜团之一。

斯特恩说：“当我们发现这是一种如此广泛的地形类型时，理解它变得更加重要，而不是一种有趣的异国情调的注脚。”

光谱数据显示，叶片是由甲烷冰组成的，并在赤道周围形成了一条带-至少在高原和山脉上是这样。但它们是如何形成的仍然是一个谜。这可能是甲烷从大气中冻结出来的方式，就像地球上的霜冻在地面上一样。或者它们可能是被耀眼的阳光侵蚀的旧甲烷冰层的遗迹。

一些研究人员将重点放在后一种解释上，因为尖锐的山脊类似于在高安第斯山脉形成的结构-尽管规模要小得多。南美版本的“忏悔者”只有几米高，形成于高海拔地区。因为它们朝向太阳，并沿着太阳辐射最强的赤道发展，科学家们怀疑光参与了忏悔者的形成。阳光被认为是推动升华的动力--本质上是在刀锋状的山脊之间划出山谷。

美国宇航局艾姆斯研究中心(NASA Ames Research Center)的行星科学家、“新地平线”号(New Horizons)联合研究员杰弗里·摩尔(Jeffrey Moore)和他的同事们在2017年提出了类似的冥王星特征理论。但是，同样在美国宇航局艾姆斯研究中心(NASA Ames Research Center)的合著者坦吉·伯特兰(Tanguy Bertrand)认为，很难用这一过程来解释所有叶片的特征。虽然有些是预期的南北方向-与太阳穿过冥王星天空的路径一致-但另一些则是东北-西南或东西方向。这可能会反对阳光的侵蚀。但伯特兰认为，另一种可能性，即沉淀甲烷，也有问题，因为没有明亮的霜冻。

很清楚的是，如果不仔细研究这颗矮行星的天气，就无法理解冰雪碎片(以及冥王星的总体景观)。就在去年，Bertrand和他的同事们发表了一个气候模型6，显示甲烷在较高的海拔积累，而氮在低大气中积累-解释了为什么Sputnik Planitia盆地富含氮冰，但刀片地形以甲烷冰为主。

这与地球不同，在地球上，液态水充满低洼的海洋，水冰覆盖在最高的山顶。在我们的星球上，风可以向上移动，从而将水从低海拔输送到高海拔。但在冥王星上，这样的操作是不可能发生的。因为它的大气比地表温暖，所以下坡风占主导地位-这意味着地势低洼的氮气永远不会沿着最高的山峰移动，高空飞行的甲烷会在到达地表较低部分之前在最高的山上冷凝。

此外，这些带刀片的山脊似乎是随着时间的推移而成长起来的古老特征。冰不仅需要数千万年的时间才能凝结或升华成如此高大的特征，而且它们的位置也跨越了广泛的纬度范围。过去气候的变化可能会解释刀片地形的位置是如何移动的，甚至是如何形成的-但有很多细节需要梳理出来。

其中之一就是冥王星古怪的季节。在地球上，季节周期是由太阳光直射量的变化控制的，因为我们星球的一个半球倾斜向太阳或远离太阳，而不是由行星的轨道路径控制。在冥王星上，季节由它的倾斜和椭圆轨道的变化所控制，因为这颗矮行星每年一次向外太阳系的寒冷边缘摆动，然后向太阳放大一次(几乎将其与太阳的距离缩短了一半)。因为这两个参数都会随着时间的推移而变化，冥王星将在特定半球每90万年指向太阳一次的同时靠近太阳-这两种效应共同在该半球创造了一个“超级季节”。伯特朗怀疑，这种效应可能扰乱了刀片地形形成的纬度，但科学家们不能肯定，因为轨道参数的计算很难估计出过去一千万年之后。

这是一个可以激励未来工作的悬而未决的问题。现在，这颗矮行星已经被进一步绘制了地图，一些科学家正在试图梳理出它过去的细节。Binzel正在搜索冥王星的近侧图像，以更好地了解它当前的季节。通过比较冥王星的不同区域，他希望能够预测到，如果我们在另一个50年后向冥王星发射轨道飞行器，我们可能会看到的任何变化。“这就像试图做冥王星预报一样，”他说。“我不确定我是否能亲眼看到，但把复活节彩蛋留给我们下次回到冥王星时再去找，这很好。”

宾泽尔确信我们最终会向这颗矮行星发射另一颗探测器。事实上，许多人争辩说，考虑到“新地平线”留下的大量问题，这几乎是不可避免的。为此，美国国家航空航天局(NASA)最近授予科学家研究轨道飞行器可行性的机会，这将使他们能够详细绘制冥王星的全部地图，甚至可以观察它随时间的变化。领导这项研究的西南研究所行星科学家卡莉·豪威特警告说，这项研究离实际任务还有很长的路要走。如果NASA决定继续执行这项任务，它可能要到本世纪30年代，甚至20世纪40年代才会发射。然后，这将是一次为期15年的航程，前往这颗矮行星。

与此同时，科学家将继续建立更好的气候模型，以与他们拥有的数据相匹配。他们将在实验室工作，试图模拟冥王星大气和潜在海洋中的化学物质。明年卫星发射后，他们将把美国宇航局哈勃的继任者詹姆斯·韦伯太空望远镜转向这颗矮行星。虽然韦伯将不能以非常高的分辨率拍摄冥王星的图像，但它将能够使用更长的波长，因此很可能会揭示一些新的东西。“我认为只有令人垂涎三尺的科学才能完成，”斯特恩说。

“我认为有令人垂涎三尺的科学要做，”斯特恩说。