Jak Pluton zyskał serce na powierzchni?

Astronomowie rozwikłali tajemnicę tego, jak Pluton mógł wejść w posiadanie na swojej powierzchni słynnej struktury w kształcie serca. Odpowiedzią jest zderzenie z ciałem planetarnym pod szczególnym kątem.

Zagadka, w jaki sposób Pluton uzyskał gigantyczny kształt serca na swojej powierzchni, została ostatecznie rozwiązana przez astrofizyków z University of Bern i National Center of Competence in Research (NCCR) PlanetSS. Naukowcy jako pierwsi z powodzeniem odtworzyli niezwykły kształt za pomocą symulacji numerycznych, przypisując go gigantycznemu i powolnemu uderzeniu meteorytu pod kątem skośnym.

Odkąd kamery misji New Horizons NASA odkryły dużą strukturę w szczególnym kształcie na powierzchni planety karłowatej Pluton w 2015 roku, pozostawała ona tajemnicą dla naukowców ze względu na swój unikalny wygląd, skład geologiczny i wysokość. Badacze wykorzystali symulacje numeryczne do zbadania pochodzenia formacji geologicznych Sputnik Planitia – zachodniej części Plutona, by rozwikłać zagadkę jak powstał na niej kształt serca.

Zdaniem astronomów, wczesna historia Plutona była naznaczona kataklizmem, który uformował Sputnik Planitia – zderzenie z ciałem planetarnym o średnicy około 700 km. Badania opublikowane w Nature Astronomy, sugerują również, że wewnętrzna struktura Plutona różni się od tego, co zakładali naukowcy, wskazując, że nie ma tam podpowierzchniowego oceanu.

Serce, znane również jako Tombaugh Regio, zwróciło uwagę opinii publicznej natychmiast po jego odkryciu. Zainteresowało ono również naukowców, ponieważ jest pokryte materiałem o wysokiej zawartości albedo (parametr fotometryczny określający zdolność odbijania światła przez daną powierzchnię), który odbija więcej światła niż jego otoczenie, tworząc bielszy kolor.

Zdaniem astronomów, serce nie składa się jednak z jednego pierwiastka. Sputnik Planitia (zachodnia część) zajmuje powierzchnię 1200 na 2000 kilometrów, co odpowiada jednej czwartej powierzchni Europy lub Stanów Zjednoczonych. Uderzające zdaniem badaczy, jest jednak to, że region ten znajduje się na wysokości od trzech do czterech kilometrów niżej niż większość powierzchni Plutona.

„Jasny wygląd Sputnik Planitia wynika z tego, że jest on wypełniony głównie białym lodem azotowym, który porusza się i konwekcjonuje (proces przekazywania ciepła związany z makroskopowym ruchem materii w gazie, cieczy lub plazmie), aby stale wygładzać powierzchnię. Azot ten najprawdopodobniej nagromadził się szybko po uderzeniu ciała planetarnego ze względu na niższą wysokość” – wyjaśnia dr Harry Ballantyne z University of Bern, główny autor badania.

Wschodnia część serca jest również pokryta podobną, ale znacznie cieńszą warstwą lodu azotowego, którego pochodzenie jest nadal niejasne dla naukowców, ale prawdopodobnie jest związane ze Sputnik Planitia.

„Wydłużony kształt Sputnik Planitia wskazuje, że zderzenie nie było bezpośrednio czołowe, ale raczej ukośne” – wskazuje dr Martin Jutzi z University of Bern.

Badacze wykorzystali oprogramowanie do symulacji wygładzonej hydrodynamiki cząstek (SPH) do cyfrowego odtworzenia zderzenia planety karłowatej z ciałem planetarnym, zmieniając zarówno skład Plutona, jak i obiektu, z którym się zderzył, a także prędkość i jego kąt. Symulacje te potwierdziły podejrzenia naukowców dotyczące kierunku uderzenia i określiły skład ciała niebieskiego.

„Jądro Plutona jest tak zimne, że skały pozostały bardzo twarde i nie stopiły się pomimo ciepła związanego z uderzeniem, a dzięki kątowi i niskiej prędkości jądro obiektu planetarnego nie zapadło się wewnątrz Plutona, ale pozostało na nim nienaruszone” –wyjaśnia Ballantyne.

„Gdzieś pod Sputnik Planitia znajduje się pozostałość po innym masywnym ciele, którego Pluton nigdy do końca nie strawił. Ta siła rdzenia i stosunkowo niska prędkość były kluczem do sukcesu tych symulacji – niższa siła spowodowałaby bardzo symetryczną pozostałość na powierzchni, która nie wyglądałaby jak kształt łzy zaobserwowany przez New Horizons” – twierdzi Erik Asphaug z University of Arizona.

„Jesteśmy przyzwyczajeni do myślenia o zderzeniach planet jako o niezwykle intensywnych wydarzeniach, w których można zignorować szczegóły, z wyjątkiem takich rzeczy jak energia, pęd i gęstość. Ale w odległym Układzie Słonecznym prędkości są znacznie wolniejsze, a lód stały jest silny, więc trzeba być znacznie bardziej precyzyjnym w obliczeniach. I tu zaczyna się zabawa” – dodaje.

Zdaniem astronomów, badanie rzuca również nowe światło na wewnętrzną strukturę Plutona. Ich zdaniem, w rzeczywistości jest znacznie bardziej prawdopodobne, że gigantyczne uderzenie, takie jak to symulowane, miało miejsce bardzo wcześnie w historii Plutona. Wiąże się z tym jednak pewien problem – ogromna depresja, taka jak Sputnik Planitia, zgodnie z prawami fizyki powinna z czasem powoli przesuwać się w kierunku bieguna planety karłowatej, z racji deficytu masy. Jednak paradoksalnie znajduje się ona w pobliżu równika.

Jak tłumaczą badacze, poprzednim teoretycznym wyjaśnieniem było to, że Pluton, podobnie jak kilka innych ciał planetarnych w zewnętrznym Układzie Słonecznym, ma podpowierzchniowy ocean ciekłej wody. Zgodnie z tym wcześniejszym wyjaśnieniem, lodowa skorupa Plutona byłaby cieńsza w regionie Sputnik Planitia, powodując wybrzuszenie oceanu, a ponieważ ciekła woda jest gęstsza niż lód, skończyłoby się to nadwyżką masy, która indukowałaby migrację w kierunku równika.

„W naszych symulacjach cały pierwotny płaszcz Plutona jest wydobywany przez uderzenie, a gdy materiał rdzenia obiektu uderzającego, rozpryskuje się na rdzeniu Plutona, tworzy lokalny nadmiar masy, który może wyjaśnić migrację w kierunku równika bez podpowierzchniowego oceanu, lub gdy jest on bardzo płytki” – wyjaśnia Martin Jutzi.

Emil Gołoś