Раскрыта загадка структуры в форме сердца на поверхности Плутона

Исследование столкновений во внешней части Солнечной системы раскрывает историю Плутона

Международная команда астрофизиков разгадала тайну появления структуры в форме сердца на поверхности Плутона. С 2015 года, когда камеры космической миссии NASA New Horizons зафиксировали эту уникальную геологическую формацию, она вызывала интерес учёных всего мира.

Группа учёных из Бернского университета при поддержке NCCR PlanetS и Аризонского университета в Тусоне применила метод численного моделирования для изучения происхождения Sputnik Planitia — западной каплевидной части «сердца» Плутона. Их исследования, опубликованные в журнале Nature Astronomy, утверждают, что ранняя история Плутона связана с катастрофическим столкновением с планетарным телом диаметром около 700 км, которое сформировало Sputnik Planitia. Эти результаты также указывают на изменение представлений о внутренней структуре Плутона и отклонение предположения о наличии подземного океана.

«Сердце», Регион Томбо, привлекло внимание общественности своей формой сразу после открытия. Но оно сразу же привлекло и внимание учёных, потому что покрыто материалом с высоким альбедо, который отражает больше света, чем его окружение.

Однако «сердце» не состоит из одного элемента. Sputnik Planitia (западная часть) занимает площадь 1200 на 2000 километров. Этот регион находится на три-четыре километра ниже по высоте, чем большая часть поверхности Плутона.

«Яркий внешний вид Sputnik Planitia обусловлен тем, что он преимущественно заполнен азотным льдом, который движется и конвектирует, постоянно сглаживая поверхность. Этот азот, скорее всего, быстро накопился после удара из-за меньшей высоты регионов», — поясняет доктор Гарри Баллантайн из Бернского университета, ведущий автор исследования.

Восточная часть структуры «сердца» также покрыта тонким слоем азотного льда, происхождение которого до сих пор неясно. «Удлинённая форма Sputnik Planitia свидетельствует о том, что удар был не прямым лобовым, а скорее косым», — отмечает доктор Мартин Юци из Бернского университета, инициировавший исследование.

Команда использовала программное моделирование гидродинамики сглаженных частиц (SPH), чтобы в цифровом виде воссоздать удары, изменяя параметры состава Плутона, ударного тела, его скорость и угол. Это моделирование подтвердило предположения о косом угле удара и помогло определить состав второго тела.

Доктор Джеймс Баллантайн, один из ведущих исследователей этой группы, объясняет, что «ядро Плутона настолько холодное, что породы не расплавились, несмотря на жар удара, и благодаря углу удара и малой скорости столкновения не погрузились в ядро Плутона, а остались нетронутыми, в виде пятна на поверхности».

«Где-то под Sputnik Planitia находится остаток ядра другого массивного тела, которое Плутон так и не переварил», — добавляет соавтор Эрик Асфауг из Университета Аризоны. Это привело к формированию формы, наблюдаемой космическим аппаратом New Horizons.

«Мы привыкли думать о столкновениях как о невероятно интенсивных событиях, в которых можно игнорировать детали, за исключением таких вещей, как энергия, импульс и плотность. Но в далёкой Солнечной системе скорости намного медленнее, а поверхностный лёд прочен, поэтому нужно быть гораздо более точным в расчётах. Вот здесь-то и начинается самое интересное», — говорит Асфауг.

Это исследование также помогает более глубоко понять внутреннюю структуру Плутона.  Удар, подобный смоделированному, скорее всего, произошёл в самом начале истории Плутона. Однако это создаёт проблему: ожидается, что Sputnik Planitia со временем будет медленно перемещаться к полюсу карликовой планеты из-за законов физики. Однако, этот регион всё ещё находится недалеко от экватора.

Предыдущее объяснение заключалось в том, что у Плутона, как и у некоторых других планетарных тел во внешней Солнечной системе, есть подземный океан. Согласно этому объяснению, ледяная корка Плутона в районе Sputnik Planitia тоньше, что должно привести ко вздутию, а поскольку жидкая вода плотнее льда, в конечном итоге получится избыток массы, вызывающий миграцию к экватору.

Однако новое исследование предлагает альтернативную точку зрения. По словам Мартина Юци, соавтора исследования, в симуляциях вся первичная мантия Плутона разрушается в результате удара, и, когда материал ядра второго тела разбился о ядро Плутона, это создало локальный избыток массы, который может объяснить миграцию к экватору без подземного океана.

Доктор Адин Дентон из Университета Аризоны, также соавтор исследования, в настоящее время проводит новый исследовательский проект, чтобы оценить скорость этой миграции. «Эта новая версия происхождение „сердца“ Плутона может привести к лучшему пониманию происхождения самого Плутона», — заключает она.

Команды исследователей обладают большим опытом совместной работы, начиная с 2011 года, в которой они исследовали «пятна» обратной стороны Луны. Они планируют изучить аналогичные сценарии для других тел внешней Солнечной системы, таких как карликовая планета Хаумеа, похожая на Плутон.