科学家揭示冥王星卫星“卡戎”的北极红斑之谜

科学家揭示冥王星卫星"卡戎"的北极红斑之谜

腾讯太空2015年09月11日07:23分享

[摘要]卡戎是冥王星最大的卫星，其北极有大片红色区域，科学家们认为这片区域是数百万年来，在卡戎北极由太阳照射逃逸到这里的冥王星大气产生“托林”这种物质，再缓慢沉降到卡戎表面形成的。

新视野号7月13日在距离冥卫一46万公里处拍摄的照片，图片细节显示冥卫一北极地区有着与其他地区不同的颜色，这一地区被新视野号科学家称为“魔多（Mordor）”（腾讯太空配图）

腾讯太空讯今年7月美国新视野号发回了冥王星及其最大卫星冥卫一卡戎的近距离照片，照片显示冥王星与卡戎几乎是两个完全不同的世界，卡戎北极地区拥有大片红色暗斑为科学家所关注。

星球不同区域颜色差异的原因可能是表面物质发生了变化，比如表面物质成分的改变，或其物理状态的变化，如固液气三态之间的转化，还有物质本身结构的变化，比如在高温高压下石墨转变为金刚石。有些我们在地球上很容易见到，如液态水组成的海洋与沙石组成的沙漠在太空看是不一样的颜色，而液态水的海洋又与水冰组成的冰川冰山不一样。同样由碳元素组成，深色的石墨与闪光的金刚石看起来完全不相像。

从照片上很容易发现卡戎北极有大片红色区域，这与卡戎其他地方完全不同，那么是什么原因造成了这种差异？为什么这片红色只在极区才会出现呢？

第一个问题我们可以用目前所知的知识来回答。我们都知道冥王星与卡戎距离太阳非常遥远因而表面十分寒冷，在这么极端低温引力又小的星球表面，物质只会以冰等固体的形式存在。卡戎表面温差变化不大，几乎没有大气不存在气压的极端变化，所以物质不会发生非常明显的相变（固相、液相、气相变化）。排除了物理状态的变化，我们可以认为是表面物质成分发生了变化，即卡戎北极红斑区域表面的物质成分与其他地区不同。

一种理论认为，因为卡戎与冥王星距离较近，平均距离只有1.96万公里，少量冥王星逃逸的大气能够最终抵达卡戎附近，在消散逃逸进入宇宙空间前，它们有一部分会被卡戎的引力暂时俘获。卡戎两极附近温度非常低，北极地区温度常年保持在-258°C至-213°C，这只比绝对零度（-273.15°C）高一点而已，在极区这样的低温下，被卡戎俘获的大气直接从气体凝华成固体沉降在卡戎两极表面。而在卡戎相对温暖的赤道附近，因为卡戎引力小几乎没有大气，液体无法在表面存在，表面的物质会直接从固体升华为气体逃逸。科学家们将大气遇到极低温度凝华沉降为固体落在星球表面的地方称为“冷阱”，冷阱里的物质一般很难再升华逃逸出去。

美国约翰·霍普金斯大学合成的复杂共聚物“托林”，这是一种在远离恒星的星球表面常见的物质，冥王星表面粉红色与冥卫一北极暗斑可能就是托林造成的（腾讯太空配图）

新视野发回的冥王星大气数据显示，冥王星大气主要由氮组成，此外还有部分甲烷与一氧化碳。因此科学家们认为，这些成分在卡戎引力俘获后慢慢沉降在极区表面。当所在极区处于冬季时会发生气体的凝华沉降，处于夏季有较多阳光照射时表面冰体会有少部分升华逃逸，而卡戎一个季节的轮回是247.68年。

在卡戎极区附近被引力俘获的冥王星大气，其中的氮与甲烷分子会被太阳风带来的高能粒子与太阳辐射分解和离子化，形成乙烯、乙烷、乙炔和氰化氢等其他小的简单分子和阳离子，接着形成苯和其他有机分子。这些分子经过聚合形成以较大分子为主的气凝胶，凝结后沉积于星球表面，这种物质就是著名的托林（Tholin）。而托林这种共聚物升华需要相对较高的温度，这是卡戎极区所不能达到的，但在两极以外相对温暖的地区可以达到，因此形成卡戎北极红色暗斑的物质或许就是托林。

托林通常为浅红色或棕色外观，它无法在现今地球的自然环境下形成，但在外太阳系以冰组成的天体表面有极大的含量。约翰·霍普金斯大学在实验室模拟外太阳系天体表面环境形成了这种物质，实验表面托林的颜色取决于氮与甲烷等分子的比例，还有所接受辐射的种类与剂量，托林的颜色可以从棕黄过渡到红色再到黑色。科学家们认为卡戎两极数百万年来俘获来自冥王星逃逸的大气，经过太阳照射形成托林缓慢沉降在极区，最终形成了这片红色区域。在未来一年，新视野号将继续发回7月近距离飞掠冥王星所获得的科学数据与高清图像，有关冥王星与卡戎的谜团将进一步揭晓。（桂林/编译）

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[责任编辑：sorazhang]

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