1930年2月18日,美國天文學家克萊德·威廉·湯博發現了冥王星。由於它距離太陽非常遙遠,能接收到的太陽輻射極少,所以表面非常寒冷,所以人們把它與陰森的冥界聯繫起來,將它命名為冥王星。
事實證明,冥王星的確是一個寒冷徹骨的世界。它位於遙遠的柯伊伯帶,距離太陽最遠時有73億公里,近的時候也有44億公里,又沒有完整的大氣層保護,因此表面溫度極低。根據科學家的探測,其表面平均溫度只有-229攝氏度。
對於這顆遙遠的矮行星,我們的了解始終非常有限。直到2015年,NASA的新地平線號探測器首次近距離光臨冥王星,讓人類以前所未有的方式獲得了大量關於冥王星的信息。藉此機會,我們對冥王星和柯伊伯帶有了一個全新的認識,甚至有了難以置信的發現:在冥王星冰封的表面之下,竟然還隱藏著一片液態水的地下海洋!
很難想像,冥王星的內外竟然是差異如此明顯的世界。畢竟外太陽系如此寒冷,如果沒有確鑿的證據,人們很難相信冥王星竟然有地下海洋。那麼問題也隨之而來:它的內部是如何擁有如此高的溫度呢?
一般來說,行星內部的溫度可能有多種來源。比如地球的核心,溫度接近6000攝氏度,比太陽表面還高,這與內部的放射性物質在衰變過程中放出的熱量有著密切的關係。因此有人推測:冥王星內部的液態水可能也來自於同樣的機制。在45億年前形成的時候,冥王星也是由宇宙中寒冷的物質凝聚而成,不過由於只有八大行星留下的邊角料,所以凝聚過程非常慢,其中的放射性物質落在核心區域,如今釋放出了熱量,而落在中間區域的冰則因此而被融化。
不過,雖然這個說法可以解釋冥王星內部的液態水的來源,但是新地平線號探測器觀測到冥王星表面的其他特徵卻與之相悖,因此有些科學家並不認同這個說法。
加州大學聖地亞哥分校的地球和行星科學家Carver Bierson指出:「如果冥王星在一開始是冰冷的,後來冰在內部融化,冥王星應該會收縮(冰密度比水小,占體積更大),那麼我們應該能在它的表面看到壓縮的特徵;而如果它一開始是炎熱的,那就會隨著海洋的凍結而發生膨脹,我們應該可以在它的表面看到延伸的地貌。」
隨著新地平線號對冥王星地表的近距離拍攝,這些地形地貌圖片也清晰地展現在了科學家們的眼前,對於驗證冥王星液態海洋形成機制的猜想有著重要的意義。Bierson繼續說:「我們看到了很多伸展的證據,但卻沒有發現任何擠壓的痕跡。所以說,觀測結果更符合冥王星開始時就擁有液態海洋的猜想。」
他和他的同事們對於這個結果也非常震驚,並且以主要作者的身份整理為論文發表在了《自然地球科學》上。
接下來的問題是,宇宙如此「寒冷」,由冰冷物質組成的冥王星是如何一開始就擁有如此高的溫度呢?比較可能的一個說法,那就是冥王星的形成過程過於暴力,所有的物質並非溫柔地凝聚在一起,而是以狂轟濫炸的形式聚集在冥王星上。在這樣的轟炸過程中,冥王星的溫度迅速躥升,導致液態海洋的出現。
在提出這個看法後,研究人員繼續對轟炸的時長進行了討論。加州大學聖克魯斯分校的地球和行星科學家Francis Nimmo說:「冥王星在最初究竟是怎樣被組合起來的,這對於它的溫度演化非常重要。如果它的組裝過程過慢,表面的熱物質就會將能量輻射到太空中去;如果組裝過程太快,熱量就會被鎖在內部。」
根據以往的理論,柯伊伯帶天體的形成過程非常漫長。直徑2376公里的冥王星如果用這個模型來解釋,其形成過程可能長達幾億年。如果情況真的是這樣的,那麼它內部的熱量恐怕早就散失殆盡了,不可能還支持地下的液態海洋。
最新的研究表明,冥王星的形成過程可能分為兩個階段,這樣的模式可以解釋冥王星的一些問題。該模型認為,冥王星在從無到有,成長到300公里直徑的過程中,經歷了一段非常漫長的歲月。但是,隨後的生長過程非常快,直徑迅速超過了2000公里。
根據Bierson等人的推測,第二階段可能僅僅持續了3萬年的時間。這個時間短得驚人,在宇宙的時間尺度下幾乎就是一瞬間,和冥王星數億年的形成時間相比也不值一提。但他們相信,這樣的時長才恰好保證冥王星能夠在地表以下擁有一個液態海洋。同時,他們認為這一套機制也適用於其他一些柯伊伯帶天體,這意味著某些較大的柯伊伯帶天體也有著熱啟動的形成機制,以及地下液態海洋,並且在幾十億年的時間裡都沒有被凍結。
當然,這個推測目前也真的僅僅是推測,我們需要更多的證據來證明。對此,研究團隊也提出了證明的方法。
他們在論文中指出:「冷啟動和熱啟動模型之間有一個巨大的差別,那就是前者很可能會在近表面區域殘留下未分化的富岩結構……像是在穀神星上發現的那種確鑿的富岩證據,可以推翻冥王星熱啟動的理論。同樣的,廣泛存在的地形壓縮痕跡,比如褶皺山脊,也會與熱啟動的冥王星相違背。」
因此,想要找到冥王星液態海洋出現的原因,我們必須對冥王星地表進行更深入的研究。不過,從目前來看,我們再次探訪冥王星的日子恐怕是遙遙無期。