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谷神星地位百年变迁:地质活跃含大量水分
2022-09-15

谷神星南半球

谷神星地表分布有许多大型撞击坑

新浪科技讯 北京时间9月6日消息,据英国广播公司(BBC)网站报道,说到失败的行星,谷神星应该被排到第一位。当然很多人会提到冥王星被剔除出大行星行列的“遭遇”。但实际上谷神星早在冥王星之前很多年就已经经历了类似的情况。

曾经谷神星也被认为是太阳系中的一颗大行星。当天文学家们在1801年最早发现它时,它是运行在木星与火星之间唯一已知的天体。这个故事不得不让人想到冥王星的情况,两者之间有着惊人的相似性——当天文学家们在火星与木星之间发现越来越多类似大小的天体之后,这一区域被命名为小行星带,而谷神星也被重新定义为一颗小行星。

但即便是小行星,那谷神星也绝不是一颗普通的小行星。它仍然是小行星带中最大的成员,几乎占了整个小行星带所有小天体总质量的三分之一。谷神星的质量足够大,使其能够成为球体,这样它就达到了被归入矮行星的资格条件。尽管地位仍然略显尴尬,但近期的探测结果已经证明谷神星的意义远不仅仅只是一块比较大的太空石块而已。

举例而言,最新的探测表明谷神星可能是太阳系中含水量最为丰富的天体之一,估算水的成分占到谷神星总质量的大约15%,总体积的大约1/3。当然谷神星上绝大部分的水是以水冰的固态形式存在的,但科学家们认为在谷神星的内部深处可能也存在有部分的液态形式的水体。由于水是生命存在的基本条件之一,谷神星上存在大量水体的事实不得不让人对其存在生命的可能性进行探讨。

当然这并不等于说谷神星上就真的存在地外生命,但这样一个天体的确给了我们有关地外生命起源方面的关键线索,不管地球上的生命最初起源究竟是在地球上还是源自地球之外。

作为内太阳系中唯一的此类天体,谷神星代表了构成行星的关键原始材料之一。美国约翰·霍普金斯大学行星科学家安迪·里夫金(Andy Rivkin)表示:“谷神星代表了形成行星之前的最后阶段。”谷神星是过去留下的遗骸,而对它开展的探测则正是在寻访太阳系的历史——目前,美国宇航局的“黎明”(DAWN)号探测器正在围绕谷神星的轨道上运行,它正在开展的正是这样的探测工作。

“黎明”号的任务还远远没有结束,但仅仅看到目前为止已经获得的成果,这艘飞船已经为我们展示了一个神秘的外星世界——这是一个遍布陨坑的星球,但它不是一个冰和岩石组成的枯燥星球,而是一个活跃的世界。

谷神星全球地形图

神秘的亮斑

独特的世界

在18世纪末,天文学家们已经知道太阳系中的7颗大行星,此前在1781年他们刚刚在行星名单里加入了天王星的名字。然而如果仔细观察就会发现在火星与木星之间似乎存在着一个巨大的间隙。根据一个被叫做“提丢斯-波德定则”的经验公式,天文学家们认为行星到太阳之间的距离遵循着一种独特的模式。而如果这一模式成立,那么在火星与木星之间的这个空隙地区就应该存在着一颗行星。

因此,当意大利天文学家皮亚奇(Giuseppe Piazzi)在1801年的新年之夜发现谷神星的消息传出之后,天文学家们举杯欢庆——不仅是因为他们终于发现了那颗“缺失”的行星,并且这也是现代人类发现的第二颗行星。

在接下来的几年时间里,尽管天文学家们又陆续在这一区域内发现了另外的3颗天体,但谷神星仍然保持住了它的大行星地位。事实上,甚至在天文学家们发现海王星之后的将近50年时间里,谷神星仍然一直保持着它的大行星地位。值得一提的是,海王星的轨道并不符合所谓“提丢斯-波德定则”。

到了这个时候,由于望远镜技术的长足进步,天文学家们开始在谷神星轨道附近发现越来越多的类似天体。他们逐渐意识到,或许谷神星只不过是一个全新的天体种类中的普通一颗而已。于是谷神星不再被视作一个大行星,而是被归入了“小行星”的类别。

美国加州大学洛杉矶分校的行星科学家克里斯·拉塞尔(Chris Russell)说:“可怜的谷神星就这样被开除了。在1801年当它被发现的时候,它被视作一个大行星,但自那以后它的地位就一直在下滑。”

就这样,谷神星沦落到了小行星一样的地位,尽管它是其中最大的一颗。但不管怎么样,在大部分人的心目中,对于谷神星的印象也就停留在一块比较大的太空岩石的层面上。里夫金表示:“甚至是在大部分科学家群体中,我想大概也是在最近的10~15年间我们才渐渐真正意识到谷神星有多么的独特和不同。”他指出,科学家们直到大约15年前才较为精确的测定了谷神星的质量,结果显示谷神星的密度稍低于此前估计。这是一项重要发现,因为这种较小的密度暗示其内部的物质组成中必定含有数量巨大的水冰成分。

当然水冰本身并不罕见。正如多艘探测器得到的结果已经证实的那样,太阳系到处都存在着水。在彗星上,在土星,木星的卫星上,甚至是在冥王星和它的卫星“卡戎”上都存在着大量的水冰。在其中的一些地方,比如木卫二以及木卫三的地表之下,科学家们都存在着巨大的地下海洋。围绕木星与土星运行的还有其他一些大小与谷神星相仿的冰卫星。但如果你考虑谷神星的大小,主要由硅酸盐岩石组成的成分特征以及它位于小行星带的位置,那么谷神星就显示出自己的与众不同了

但谷神星并非一开始就是如此与众不同的。在大约45亿年前,大致是当行星开始形成的初期阶段,当时的太阳系中散布着数以万计的大小与谷神星相接近的冰冻小天体。在漫长的岁月中这些小天体不断相互碰撞并逐渐合并、长大,最终形成了我们今天所看到的各大行星,其中也包括我们生活的地球本身。

而如果当初的那些冰冻天体没有能够最终聚合形成行星,那么它们就极可能会在撞击过程中变得支离破碎,这些碎屑物在太空中飘荡,并最终形成了今天位于火星与木星之间的小行星带。幸运的是,在这场浩劫中谷神星完好地保存了下来。

类似谷神星这样的冰冻天体并不仅仅对于行星的形成至关重要,它们对于地球上生命的起源同样意义非凡。地球上拥有广阔的海洋,而生命正是最早从海洋环境中诞生的。地球海洋中如此多的水体,正是由于在早期历史上有大量的彗星以及类似谷神星这样含有水冰的冰冻天体不断撞击原始地球,并在这一过程中为地球带来了丰富的水源。

并且,我们还应当认真考虑谷神星本身可能具有生命存在的可能性。谷神星直径大约950公里,质量比地球的卫星月球小80倍。这样小的体量显然不足以拥有大气层,任何液态水或固体冰也都难以在谷神星的地表长时间存在。然而,如果我们讨论的是谷神星的地表之下,那么情况又完全不同了。

当谷神星最初形成时,它的温度足够高,可以融化水冰,从而让水冰与岩石成分相互分离更加容易。于是那些质量更大的岩石物质便逐渐向着谷神星的核心下沉,而水体则主要保存在外部,形成一个类似“地幔”的部分。

随后,谷神星的冷却过程从外部向内部逐渐进行,因此,尽管今天看来谷神星的整个外部就是一个由水冰、粘土与岩石混合而成的冰冻星球,但在其深部仍然有可能保存着一部分呈液态的水体。或许存在着这样的可能性,那就是在谷神星内部深处的某处,那里的环境足够温暖潮湿,从而能够让生命在这里存活。

尽管没有人敢说谷神星上就一定存在着生命,但至少我们的确可以发现谷神星相比其他几个同样被认为有可能适合生命生存的星球存在着一些优势,如木卫二以及木卫三。相比这些冰卫星,谷神星更靠近太阳,因此能够获得额外的温暖,这有利于生命的生存。

除此之外,木星的那些冰卫星所处的位置都暴露在木星强大的磁场与辐射之下,而相比之下,谷神星所在的位置就没有这样的问题。正如拉塞尔所言:“我想说,相比木卫二以及木卫三的内部,对于生命而言,谷神星的环境可能更加友好。”

在2014年,谷神星在科学家们的心目中甚至变得更加有趣了。就在这一年,欧洲的赫歇尔空间望远镜在这颗矮行星的周围探测到的水汽的迹象,这是首次在一颗小行星带天体上探测到确凿的存在水的证据。这些水汽似乎会在不同的时间里出现,然后再消失,这种情况引发了科学家们对于谷神星上可能存在冰火山或其他地质活动的猜想。

抵达谷神星轨道的美国宇航局“黎明”号飞船

谷神星表面的神秘亮斑位于一个名为Occator的陨坑内

“黎明”号抵达

为了搞清楚究竟是什么机制产生了这样的水汽信号,科学家们需要靠的再近一些进行观察。幸运的是,有一艘飞船已经在路上了。

2007年,美国宇航局的“黎明”号探测器发射升空,在花费超过1年的时间对另外一颗小行星带天体灶神星(Vesta)进行探测之后,它开始调转航向,飞往谷神星。随着黎明号与谷神星之间的距离越来越近,科学家们注意到在这颗矮行星的表面有一个明显的白色亮斑,相对周围灰暗的色调形成鲜明对比。

随着距离的进一步靠近,科学家们意识到这个亮斑并非是单一的一个,而是两个。它们非常明亮,甚至很多UFO狂热分子又开始兴奋起来,宣称这是存在“谷神星人”的证据。

但科学家们对此提出了其他几种可能性。他们认为,这种明亮的斑点可能是太阳光在近期形成的水冰层表面反光造成的现象。或者有可能黎明号的镜头正好正对着一座冰火山口内部的冰面,因此看到了强烈的反光。

不管是哪种情况,这都将表明谷神星是一颗在地质学上仍然活跃的星球,但同时它也表明谷神星上的水体可能已经抵达近地表区域。这种情况直接指示一个潮湿的,可能适合生命生存的地下环境。

2015年3月,黎明号进入谷神星轨道,此时科学家们在谷神星表面发现了更多更小的此类斑点。观测显示其中那些看上去比较大的斑点实际上也是由许许多多较小的斑点聚集在一起形成的,它们都位于一个名叫“Occator”的直径大约90公里的陨坑内部。

现在,黎明号正在距离谷神星表面仅有大约1470公里的轨道上运行,拉塞尔表示,科学家们目前已经基本排除了这些亮斑是热泉或冰火山的可能性。拉塞尔是黎明号飞船项目的首席科学家。

谷神星表面最高峰:一座高度达到6000米左右的金字塔形山峰

从1470公里的轨道上对金字塔形山峰开展观测

阳光照射下的谷神星

地表盐分

在经过更加细致的测量之后,研究人员发现这些亮斑的反照率并非如他们此前所认为的那么高。在最高的情况下它们也只是反射大约50%的入射光线,这种反照率显然是低于水冰喷泉的情况的。

它们也不太可能是一片冰面。在谷神星表面的环境下,水冰无法持续稳定存在很久,而是很快就会升华殆尽,而更加重要的是黎明号飞船上搭载的相机和红外光谱仪都未能探测到任何与水冰成分相关的化学信号。拉塞尔表示,到目前为止最有可能的情况就是:这是一片出露地表的盐层,但并非食盐,而是其他的化学盐类,如硫酸镁之类。

这样的结果似乎没有水冰喷泉这样的字眼那么让人感到兴奋,然而科学家们指出,盐类的存在仍然可以指示流动水体的存在。拉塞尔表示:“着同样是水体存在的明确证据,因为盐分不会自己漂浮到谷神星的表面。它必须是由某种液体携带上来的。”

但科学家们目前还无法判定的是这些盐分究竟是何时从水体中析出并沉淀下来的,或许是在去年,也或许是在100万年前,这样的可能性都存在。然而如果将哈勃空间望远镜在过去拍摄的谷神星图像与黎明号拍摄的最新图像进行对比,研究人员可以大致判断这些亮斑是否在此期间发生过改变,也就是说,我们将可以判断出在目前这一阶段,液态水是否仍在继续向谷神星地表输送盐类物质。

与此同时,黎明号飞船正在继续为我们带来更多有关谷神星的惊喜。黎明号的探测数据表明在 Occator陨坑内的大部分区域都覆盖着一层薄薄的“雾气”,其漂浮的高度没有超出撞击坑的边缘隆起。

目前黎明号飞船的飞行高度还是太高,尚无法对这层“薄雾”的成分进行较为详细的观测,目前我们唯一知晓的事实仅仅是,这种薄雾会散射阳光。但究竟其是否是水汽成分目前还无法断言。如果最后发现事实的确如此,那么它就很有可能与从地下向谷神星地表输送盐分的水体过程有关,甚至或许与去年欧洲赫歇尔望远镜所探测到的谷神星周围的水汽信号有关。

而除了这些明亮的神秘斑点之外,谷神星上另一个最令人关注的地方大约就是在其表面发现的一座金字塔形的高山,其高出周围地形超过6000米。拉塞尔表示,乍一看你会觉得这座山的样子与近期飞越冥王星的新视野号探测器拍摄的冥王星表面的山峰非常相似。形成这座山峰的地质学过程很有可能在这两颗矮行星上都存在着。

但拉塞尔也指出,这座山峰也有可能是一种在地质学上被称为“冰举丘”(pingo)的永久性冻土隆起,这种地形可以在美国的阿拉斯加州,甚至是在火星上看到。

在地球上,冰举丘是在永冻土层下方有冰层逐渐生长,引发地表隆升而形成的,其高度有时候可以达到50米左右。黎明号项目的科学家们目前正在传回的谷神星全球图像中搜寻类似的地形特征。拉塞尔解释说,由于谷神星上相比地球要弱得多的重力环境,在谷神星上冰举丘的高度可能可以达到非常高的高度。

黎明号将继续在目前的轨道上开展数据收集工作,随后计划在今年12月份左右将飞行高度下降到距离谷神星地表约375公里的高度上。在那之后黎明号飞船就将持续围绕谷神星飞行,至少持续到明年夏天,其主要科学探测任务期结束。但对于整个黎明号项目来说,其整体使命或许并不一定会在完成对谷神星的考察之后就迎来终结。

里夫金表示:“谷神星将是开展后续探测任务的理想候选地,比如说,或许可以派遣一辆‘谷神星漫游车’登陆到它的表面开展探测。”谷神星也将是测试未来计划登陆木卫二的着陆器的理想地点。目前欧洲空间局(ESA)以及美国宇航局(NASA)都正在规划实施对木卫二的探测计划,但两大航天机构的设想中都没有包含着陆探测任务,而仅仅是设想让一艘探测器进入其轨道开展考察。科学家们认为木卫二的地下存在一个巨大的海洋,因此如果能够登陆到木卫二的冰层表面并进行钻探将会令人兴奋地多。

然而,我们距离能够在木卫二这样的星球表面开展钻探的时间依旧很遥远。在这样的情况下,在谷神星上实施类似的计划就会显得容易许多。一来谷神星距离我们更近,而来这里没有木星附近那么强烈的辐射环境。拉塞尔甚至认为,最终我们或许可以考虑派遣宇航员登陆到谷神星的表面,他说:“谷神星是我们实现宇航员火星登陆之后,理想的下一个登陆目标。”

尽管可能性非常低,但假如谷神星上真的存在生命,那么我们也需要依靠一艘着陆器才能找到它们。拉塞尔表示:“我没有任何证据,我也不认为我们有任何机会真的能够在谷神星上找到生命。但如果真的有一项探测任务计划前往谷神星开展搜寻生命存在迹象的研究,那么我绝对会为它投上一张支持票。”

即便谷神星上没有外星生命,但我们已经知道这颗星球本身仍然是活跃的,那里有水汽,有冰冻的山峰,流动的水体,以及预计在未来几个月的时间里黎明号将要向我们呈现的其他奇异图景。在拉塞尔的眼中,这样的地质活动让谷神星看上去真正像是一颗行星。

事实上,当国际天文学联合会(IAU)在2006年投票将冥王星和谷神星一同归入矮行星类别时,他们的确也曾经考虑过另外一个选项,那就是将将这两颗星球全都宣布为大行星。在表决时,第一个被提出的行星定义方案是:行星必须是球形,且围绕恒星运行。如果这一定义被采纳,那就会将谷神星和冥王星以及外太阳系的其他几颗符合条件的天体都包括在内,从而使得太阳系行星的数量增加为12颗。

但不幸的是,天文学家们最后还是决定采用较为严格的那套方案,要求作为行星的天体不仅自身必须呈球形,还必须清空自身轨道周围的其他物体。这样的定义直接将谷神星与冥王星排除在外,因为它们两者分别位于小行星带和柯伊伯带两个小天体密布的区域。

到目前为止,谷神星仍然是一颗受到官方认可的矮行星,但无论你怎么称呼它,你都不能说这是一个令人乏味的星球。

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