「黎明」號揭秘穀神星：過去曾是一個海洋世界

2020-08-12 科學網

作者：唐鳳

穀神星隕石坑亮斑 圖片來源：NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA

在環繞穀神星軌道運行兩年後，「黎明」號探測器在其延長任務的最後階段（2018年6月至10月）下降到距離穀神星表面35公裡處，並以前所未有的解析度完成了成像、紅外光譜、元素光譜和引力科學等探測任務。

8月10日，《自然—天文學》《自然—地球科學》和《自然—通訊》發表的7篇論文報告了此次觀測的若干成果。研究顯示，穀神星曾是一個海洋世界，而且「不久前」可能有活躍地質活動，這為矮行星的歷史和形成提供了進一步認知。

「『黎明』號延長任務的高解析度圖像證實了滷水的暴露時間不到200萬年。此外，可見光和紅外測圖光譜儀發現了一種新的化合物——冰鹽。這種物質在海洋冰中很常見，但這是第一次在地球之外發現這種物質。」美國宇航局（NASA）噴氣推進實驗室行星學家Julie Castillo-Rogez說。

穀神星被認為是在大約45億年前太陽系開始形成時產生的，位於太陽系邊界，由黏土、碳酸鈉和碳酸氨等成分組成，這暗示它經歷了一種非常複雜的化學演化。此次「黎明」號任務探測的焦點在奧卡託隕石坑。科學家早前就發現這裡存在白色斑點，成分主要是碳酸鈉。

數百萬年的液態

穀神星上的火山是冰火山，這是一種形成於具有冰殼的行星上的火山。科學家認為，木衛二上的冰火山可能有助於促進化學混合，從而產生生命所需的複雜分子。但穀神星的地質環境比木衛二要簡單得多，了解更多關於這些火山是如何在穀神星上活動的，可以幫助科學家弄清該過程的主要驅動力。

「在我們尋找生命的過程中，冰火山似乎是一個非常重要的系統。」德克薩斯大學奧斯汀分校副教授Marc Hesse說，「所以我們試圖了解這些冰殼以及它們的活動。」

研究人員關注了90英裡寬的奧卡託隕石坑底部的沉積物，這個隕石坑形成於大約2000萬年前，但這裡的沉積物只有400萬年的歷史。鹽沉積和撞擊時間的差異提出了一個問題：一個地質學上停滯不前的世界發生撞擊之後，低溫巖漿如何在數百萬年裡保持液態？

「這也引發了一場爭論，即是深層的滷水層，還是形成火山口的撞擊產生的熱量導致了融化，或者兩者皆有。」Castillo-Rogez告訴《中國科學報》。

Castillo-Rogez指出，來自撞擊融解室的液體與來自更深處（超過40公裡）儲存室的液體在不同的時間尺度上演化：前者由於撞擊產生的熱量會變熱，溫度最高可達100攝氏度，但由於它們離地表很近，會在數百萬年之後凍結。另一方面，如果足夠深，內部熱量可以慢慢地從地殼中洩漏出來，那麼常年滷水層就可以藉助鹽的存在維持在零度以下。

2019年，根據「黎明」號傳回的數據，Castillo-Rogez和Hesse等人模擬了隕石坑潛在撞擊引起的低溫巖漿室的熱演化。模擬結果表明，較小的初始低溫巖漿室可能導致下地殼的部分熔融。這可能允許位於穀神星多孔上地幔的滷水對巖漿庫進行補給，並可能延長低溫火山活動。相關論文刊登於《地球物理研究快報》。

鹽是溫暖的關鍵

雖然穀神星的表面和內部結構顯示了水蝕過程的證據，表明過去曾經存在海洋，但人們尚不清楚這片海洋是否仍然存在，以及殘留的液體是否仍然在這顆矮行星上循環。

義大利天體物理學研究所的Maria Cristina De Sanctis和同事報告稱，奧卡託隕石坑中央最大的明亮區域Cerealia Facula存在水合氯鹽。由於這些鹽的脫水速度很快，研究人員認為滷水可能還在不斷湧出，意味著穀神星內部可能依然存在含鹽液體。

「水合相的空間分布表明，氯化物鹽是最近才到達地表或是仍在上升的深層滷水的固體殘留物。這些鹽在維持穀神星溫暖的內部溫度和降低滷水共晶溫度方面非常有效。」 De Sanctis團隊寫道。

之前的研究假設穀神星的地殼是一個均勻的層。但噴氣推進實驗室的Carol Raymond和同事分析了「黎明」號發回的高解析度引力數據和影像，揭示了穀神星複雜的地殼結構。他們發現奧卡託環形山底深處有一個很大的滷水儲層。研究人員表示，該儲層可能曾受到形成環形山力量的作用，發生了運動，致使行星表面出現了這些明亮的鹽沉積。

「這些推論為穀神星表面的地質特徵提供了地球物理背景，並有助於我們進一步理解這顆富含冰但缺乏熱量的星球的演化過程，它的演化部分是由撞擊形成的。」Raymond說。

其他研究團隊還發現，穀神星曾在約900萬年前開始了一段冰火山活躍期，一直到最近才結束。這些發現表明這裡有深層滷水源，以及鹽在保存液體方面起著重要作用。科學家還使用新的高解析度重力數據研究了奧卡託隕石坑周圍地區的地下結構。上述成果均刊登於《自然—天文學》。

此外，奧卡託隕石坑的丘陵可能是在撞擊導致流水結冰時形成的，這說明不只地球和火星，穀神星在地質學上的近期也出現過活躍的冰凍水文現象。研究人員還發現穀神星上富含水和鹽的撞擊熔巖與火星上的不同，規模也不及火星；奧卡託隕石坑內的各種明亮沉積物可能具有不同來源。 這些成果分別發表於《自然—地球科學》和《自然—通訊》。

穀神星的「黎明」

太陽系的小行星帶是位於火星和木星軌道間的小行星密集區域，天文學家估計這裡有大約50萬顆種類各異的小行星。灶神星是與地球類似的巖狀天體，穀神星則是典型的冰狀天體，這兩個極不相同的天體竟同處一個小行星帶，其原因仍待解釋。而搜尋小行星帶中這兩個標誌性天體的信息，有助揭開太陽系早期歷史的奧秘。

「小行星探索有助於尋找生命和太陽系的起源證據，並獲取具有潛在危險的小行星的物理參數和結構組成。而且探測任務周期長、任務挑戰性強，可以推動深空探測技術的發展。」南京航空航天大學航天學院航天新技術實驗室教授李爽在接受《中國科學報》採訪時表示。

由電離氙提供動力的「黎明」號小行星探測器於2007年9月發射升空，並在2011年7月進入灶神星軌道。2012年9月5日，「黎明」號在環繞灶神星的軌道運行1年多後飛向其第二個目的地——穀神星。

2015年3月6日，「黎明」號探測器進入穀神星的引力懷抱。「黎明」號探測器成為第一架環繞兩顆地外天體運行的太空飛行器。

相關論文信息：http://dx.doi.org/10.1029/2018GL080327

https://doi.org/10.1038/s41550-020-1019-1

https://doi.org/10.1038/s41550-020-1138-8

https://doi.org/10.1038/s41550-020-1146-8

https://doi.org/10.1038/s41550-020-1168-2

https://doi.org/10.1038/s41550-020-1181-5

https://doi.org/10.1038/s41561-020-0581-6

https://doi.org/10.1038/s41467-020-15973-8

https://doi.org/10.1038/s41467-020-17184-7

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