Mysteriet med hur Pluto fick en gigantisk hjärtformad funktion på sin yta har äntligen lösts av ett internationellt team av astrofysiker ledda av universitetet i Bern och medlemmar av National Center of Competence in Research (NCCR) PlanetS. Teamet är det första att framgångsrikt reproducera den ovanliga formen med numeriska simuleringar, vilket tillskriver den en gigantisk och långsam snedvinkelkollision.
Ända sedan kamerorna i NASA:s New Horizons-uppdrag upptäckte en stor hjärtformad struktur på ytan av dvärgplaneten Pluto 2015, har detta "hjärta" förbryllat forskare på grund av dess unika form, geologiska sammansättning och höjd. Ett team av forskare från University of Bern, inklusive flera medlemmar av NCCR PlanetS, och University of Arizona i Tucson har använt numeriska simuleringar för att undersöka ursprunget till Sputnik Planitia, den västra droppformade delen av Plutos hjärtyta.
Enligt deras forskning präglades Plutos tidiga historia av en katastrofal händelse som bildade Sputnik Planitia:en kollision med en planetkropp med en diameter på cirka 700 km, ungefär dubbelt så stor som Schweiz från öst till väst. Teamets resultat, som nyligen publicerades i Nature Astronomy , tyder också på att Plutos inre struktur skiljer sig från vad som tidigare antogs, vilket indikerar att det inte finns något hav under ytan.
Hjärtat, även känt som Tombaugh Regio, fångade allmänhetens uppmärksamhet direkt efter upptäckten. Men det fångade också omedelbart forskarnas intresse eftersom det är täckt av ett högalbedomaterial som reflekterar mer ljus än omgivningen, vilket skapar en vitare färg.
Men hjärtat består inte av ett enda element. Sputnik Planitia (västra delen) täcker ett område på 1 200 gånger 2 000 kilometer, vilket motsvarar en fjärdedel av Europa eller USA. Det som är slående är dock att denna region är tre till fyra kilometer lägre i höjd än större delen av Plutos yta.
"Det ljusa utseendet hos Sputnik Planitia beror på att den till övervägande del är fylld med vit kväve-is som rör sig och konvekterar för att ständigt jämna ut ytan. Detta kväve ackumulerades med största sannolikhet snabbt efter nedslaget på grund av den lägre höjden", förklarar Dr Harry Ballantyne från universitetet i Bern, huvudförfattare till studien.
Den östra delen av hjärtat är också täckt av ett liknande men mycket tunnare lager av kväve-is, vars ursprung fortfarande är oklart för forskare, men troligen är släkt med Sputnik Planitia.
En sned effekt
"Den långsträckta formen på Sputnik Planitia tyder starkt på att kollisionen inte var en direkt frontalkrock utan snarare en snett", påpekar Dr. Martin Jutzi vid universitetet i Bern, som initierade studien.
Så teamet, liksom flera andra runt om i världen, använde sin simuleringsprogramvara för Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) för att digitalt återskapa sådana stötar, och varierade både sammansättningen av Pluto och dess impactor, såväl som hastigheten och vinkeln på impactorn. Dessa simuleringar bekräftade forskarnas misstankar om den sneda islagsvinkeln och bestämde sammansättningen av stötkroppen.
"Plutos kärna är så kall att stenarna förblev väldigt hårda och smälte inte trots värmen från stöten, och tack vare stötvinkeln och den låga hastigheten sjönk inte kärnan av stötdonet in i Plutos kärna, utan förblev intakt som ett stänk på det", förklarar Ballantyne.
"Någonstans under Sputnik finns kvarlevan av en annan massiv kropp, som Pluto aldrig riktigt smälte", tillägger medförfattaren Erik Asphaug från University of Arizona. Denna kärnstyrka och relativt låga hastighet var nyckeln till framgången med dessa simuleringar:lägre hållfasthet skulle resultera i en mycket symmetrisk överbliven ytfunktion som inte ser ut som den droppform som observerats av New Horizons.
"Vi är vana vid att tänka på planetkollisioner som otroligt intensiva händelser där du kan ignorera detaljerna förutom saker som energi, fart och densitet. Men i det avlägsna solsystemet är hastigheterna så mycket långsammare, och fast is är stark, så du måste vara mycket mer exakt i dina beräkningar. Det är där det roliga börjar, säger Asphaug.
De två teamen har en lång erfarenhet av samarbeten tillsammans och har redan sedan 2011 utforskat idén om planetariska "splats" för att till exempel förklara särdrag på månens bortre sida. Efter vår måne och Pluto planerar teamet från University of Bern att utforska liknande scenarier för andra yttre solsystemkroppar som den Pluto-liknande dvärgplaneten Haumea.
Den aktuella studien kastar nytt ljus även över Plutos interna struktur. Faktum är att en gigantisk påverkan som den simulerade är mycket mer sannolikt att ha inträffat mycket tidigt i Plutos historia. Detta utgör dock ett problem:en gigantisk depression som Sputnik Planitia förväntas långsamt röra sig mot dvärgplanetens pol över tiden på grund av fysikens lagar, eftersom den har ett massunderskott. Ändå är det paradoxalt nog nära ekvatorn.
Den tidigare teoretiserade förklaringen var att Pluto, liksom flera andra planetariska kroppar i det yttre solsystemet, har ett hav med flytande vatten under ytan. Enligt denna tidigare förklaring skulle Plutos isiga skorpa vara tunnare i Sputnik Planitia-regionen, vilket får havet att bukta ut där, och eftersom flytande vatten är tätare än is, skulle du få ett massöverskott som inducerar migration mot ekvatorn.
Den nya studien erbjuder dock ett alternativt perspektiv. "I våra simuleringar grävs hela Plutos urmantel ut av stöten, och när stötkroppens kärnmaterial slår mot Plutos kärna, skapar det ett lokalt massöverskott som kan förklara migrationen mot ekvatorn utan ett hav under ytan, eller som mest en mycket tunn", förklarar Martin Jutzi.
Dr Adeene Denton från University of Arizona, också medförfattare till studien, genomför för närvarande ett nytt forskningsprojekt för att uppskatta hastigheten på denna migration. "Denna roman och uppfinningsrika ursprung för Plutos hjärtformade drag kan leda till en bättre förståelse av Plutos ursprung", avslutar hon.
Mer information: Harry A. Ballantyne m.fl., Sputnik Planitia som en rest av impregnatorn som tyder på en gammal stenig mascon i en havlös Pluto, Nature Astronomy (2024). DOI:10.1038/s41550-024-02248-1
Journalinformation: Naturastronomi
Tillhandahålls av University of Bern
