Плутон продолжает удивлять ученых спустя более десяти лет после пролета космического аппарата New Horizons. Анализ снимков, полученных во время исторического сближения 2015 года, выявил признаки, которые могут указывать на сравнительно недавнее движение жидкого азота в районе равнины Спутника. Речь идет о гигантской ледяной области, известной благодаря своей характерной форме сердца.
Исследователи обнаружили на северной окраине равнины особенности поверхности, напоминающие следы движения жидкости по земным ледникам. Согласно предложенному объяснению, жидкий азот мог подниматься из-под многокилометровой толщи азотного льда через небольшие трещины, выходить на поверхность, растекаться по ней и затем замерзать.
Для Плутона это особенно интересно. Температура его поверхности настолько низкая, что привычное земное представление о жидкой воде здесь неприменимо. На карликовой планете главным летучим веществом на поверхности является азот, который при плутонианских условиях способен участвовать в совершенно необычных геологических процессах.
Полученные данные не означают, что на поверхности Плутона существуют устойчивые реки жидкого азота. Речь идет о свидетельствах эпизодического движения азота в жидком состоянии и о возможном механизме, который позволяет ему появляться у поверхности.
Равнина Спутника — одна из самых необычных областей Плутона
Гигантское «сердце» на поверхности карликовой планеты
Одной из самых узнаваемых особенностей Плутона является огромная светлая область в форме сердца. Ее официальное название — Sputnik Planitia, или равнина Спутника.
New Horizons передал изображения этой территории во время пролета Плутона в июле 2015 года. На первых снимках равнина выглядела относительно гладкой и яркой, однако более детальный анализ показал, что ее поверхность далеко не однородна.
Она покрыта крупными многоугольными участками, разделенными впадинами и линиями. Такая структура связана с движением и конвекцией азотного льда. Лед в глубине равнины медленно перемещается, а более холодный материал опускается, тогда как более теплый поднимается.
В результате поверхность постоянно обновляется. Это одна из причин, по которой Sputnik Planitia выглядит значительно моложе многих других участков Плутона.
На Плутоне лед ведет себя не так, как привычный водяной лед
На Земле под словом «лед» обычно подразумевается замерзшая вода. На Плутоне ситуация принципиально иная.
При экстремально низких температурах на поверхности карликовой планеты могут существовать твердые азот, метан и другие вещества. Поэтому геологические процессы здесь способны происходить с материалами, которые на Земле мы привыкли воспринимать прежде всего как газы.
Азотный лед при условиях Плутона является частью активной системы поверхности. Он может перемещаться, деформироваться, испаряться, конденсироваться и вновь замерзать. Именно поэтому геология Плутона не сводится к медленному разрушению древней поверхности.
Что обнаружили на северной части равнины Спутника
Темные линии оказались особенно важными
Исследователи обратили внимание на узкие темные элементы, проходящие по поверхности азотного льда. В некоторых местах рядом с ними находятся более широкие темные участки.
По внешнему виду эти структуры напоминают следы жидкости, которая перемещалась по ледяной поверхности и оставляла после себя более темные области.
Однако для интерпретации таких признаков необходимо учитывать особенности атмосферы Плутона. На карликовой планете не существует условий, при которых азот мог бы выпадать на поверхность в виде обычного дождя и создавать подобные потоки сверху.
Поэтому один из рассматриваемых вариантов заключается в том, что источник вещества находится под ледяной поверхностью.
Аналогии нашли на Земле
Чтобы понять происхождение обнаруженных особенностей, ученые сравнили изображения Плутона с наблюдениями земных ледниковых районов.
Особенно полезными оказались снимки отдельных участков Гренландии и Антарктиды. На Земле в ледяных щитах встречаются темные узкие структуры, связанные с движением воды, которая может находиться под толщей льда, выходить на поверхность и формировать небольшие водоемы или каналы.
Разумеется, вещества на Земле и Плутоне различаются. На Земле подобные процессы связаны с водой, а на Плутоне предполагаемый аналог — азот.
Сходство заключается именно в геологическом механизме: жидкость может находиться под твердой ледяной оболочкой, проникать через трещины и оставлять на поверхности характерные следы.
Откуда на Плутоне может взяться жидкий азот
Давление внутри ледяной толщи может играть важную роль
Одна из рассматриваемых возможностей связана с огромной толщиной азотного льда в районе Sputnik Planitia.
Под весом многокилометровой ледяной толщи вещество испытывает значительное давление. Исследователи рассматривают вариант, при котором это давление способствует нагреву и плавлению азотного льда в нижней части ледника.
В таком случае источник предполагаемой жидкости находится непосредственно под твердой массой льда.
Жидкий азот способен перемещаться по трещинам в твердом азотном льду, поэтому при наличии подходящих каналов он может постепенно подниматься вверх. Когда вещество достигает поверхности, оно может растекаться по соседним участкам и затем вновь замерзать.
Внутреннее тепло Плутона также может иметь значение
Другой возможный источник энергии связан с недрами самого Плутона.
Карликовая планета не является полностью холодным и геологически мертвым телом. В ее недрах могут сохраняться источники тепла, в том числе тепло, связанное с радиоактивным распадом и другими внутренними процессами.
Исследователи не утверждают, что внутреннее тепло является единственным или окончательно установленным механизмом плавления азотного льда.
На сегодняшний день речь идет о нескольких возможных источниках энергии, способных поддерживать условия, при которых азот может переходить в жидкое состояние под поверхностью.
Почему жидкий азот вообще возможен на таком холодном мире
Температура Плутона остается экстремально низкой
Плутон находится в среднем примерно в 40 раз дальше от Солнца, чем Земля. Из-за огромного расстояния до Солнца поверхность карликовой планеты получает очень мало солнечной энергии.
Температуры на поверхности могут опускаться примерно до −229 °C. Это значительно ниже привычных земных температур и объясняет, почему на Плутоне такие вещества, как азот, метан и монооксид углерода, существуют в виде льдов.
Однако температура плавления вещества зависит не только от того, насколько холодна окружающая среда. На нее влияют также давление и физическое состояние материала.
Для чистого азота при обычном земном давлении температура плавления составляет около −210 °C. Но условия внутри плутонианской ледяной толщи отличаются от земных, поэтому поведение азотного льда нельзя описывать простым сравнением с атмосферными условиями Земли.
Речь идет о подповерхностном процессе
Важно различать температуру открытой поверхности и условия на глубине.
Даже если поверхность Плутона слишком холодна для существования жидкого азота, под несколькими километрами льда давление и температура могут отличаться.
Именно поэтому исследователи рассматривают возможность существования локальной области плавления в основании ледяной толщи.
Такой сценарий не требует того, чтобы вся поверхность Плутона была достаточно теплой для существования жидкого азота. Достаточно особых условий в определенной области под поверхностью.
Плутон может демонстрировать своеобразный аналог вулканизма
Вместо лавы здесь может двигаться ледяной материал
На Земле вулканизм обычно связан с выходом расплавленной горной породы на поверхность.
На ледяных мирах Солнечной системы существует другой класс процессов — криовулканизм. В данном случае вместо горячей силикатной магмы на поверхность могут поступать вода, аммиак или другие летучие вещества в жидком либо газообразном состоянии.
Предполагаемое движение жидкого азота на Плутоне в некотором смысле напоминает такой процесс. Вещество образуется или сохраняется под твердой оболочкой, перемещается вверх по трещинам и выходит на поверхность.
Но это не означает, что обнаружены обычные вулканы с жерлами и лавовыми потоками. Исследователи говорят о возможном аналоге вулканической активности, в котором основную роль играет азотный лед.
Поверхность постоянно обновляется
Особенность Sputnik Planitia заключается в том, что здесь одновременно наблюдаются несколько процессов.
Азотный лед участвует в конвекционном движении. Поверхностные участки могут перемещаться, разрушаться и заменяться более молодым материалом.
Если к этому добавить возможное движение жидкого азота снизу вверх, получается чрезвычайно динамичная система.
Она способна изменять поверхность даже при полном отсутствии привычной для Земли тектоники плит или масштабного вулканизма.
Почему Sputnik Planitia считают молодой областью
Поверхность могла обновиться менее чем за миллион лет
Модели, описывающие перемешивание и переворачивание азотного льда в Sputnik Planitia, показывают, что поверхность этой области является геологически молодой по меркам Плутона.
Оценки указывают на возраст менее одного миллиона лет для нынешней поверхности равнины.
Для Солнечной системы это очень небольшой промежуток времени. Плутон сформировался миллиарды лет назад, поэтому поверхность, которая обновилась за последний миллион лет, можно считать относительно молодой.
Если обнаруженные темные структуры действительно связаны с движением жидкого азота, они должны были сформироваться уже после обновления нынешней поверхности.
Это ограничивает возможное время существования таких особенностей и делает их особенно интересными для изучения современной геологии Плутона.
Молодая поверхность не означает молодую планету
Возраст отдельных участков нельзя путать с возрастом самого Плутона.
Карликовая планета сформировалась на раннем этапе истории Солнечной системы и существует миллиарды лет. Молодой считается именно поверхность конкретной геологической области.
Постоянное перемещение льда может стирать старые следы и создавать новые. Поэтому внешне молодая территория может существовать на очень древнем небесном теле.
Плутон оказался геологически сложнее, чем ожидалось
New Horizons изменила представление о карликовой планете
До пролета New Horizons Плутон оставался одним из наименее изученных крупных объектов Солнечной системы.
Полученные аппаратом изображения показали горы из водяного льда, равнины из азотного льда, разнообразные впадины и другие формы рельефа.
Особое внимание привлекла Sputnik Planitia. Ее необычная форма и структура стали свидетельствами того, что поверхность Плутона способна активно изменяться.
Теперь к уже известным процессам добавляются признаки возможного движения жидкого азота.
Это означает, что даже после завершения пролета New Horizons ученые продолжают извлекать новую информацию из данных, собранных аппаратом более десяти лет назад.
Один пролет дал материал для многолетних исследований
New Horizons прошел мимо Плутона с большой скоростью и не мог долго находиться над одной областью.
Тем не менее аппарат получил изображения и научные данные, которые позволили исследовать поверхность с гораздо большей детализацией, чем было возможно до 2015 года.
Последующий анализ этих материалов продолжается. Исследователи сопоставляют изображения разных участков, строят геологические карты и используют компьютерное моделирование для проверки возможных механизмов формирования рельефа.
Поэтому новые результаты не обязательно требуют нового космического аппарата. Иногда важное открытие появляется благодаря повторному анализу уже существующих наблюдений.
Что обнаружение может означать для других ледяных миров
Тритон особенно интересен для сравнения
Плутон не единственный объект Солнечной системы, на котором обнаружены признаки активности азотного льда.
Крупнейший спутник Нептуна Тритон также имеет азотный лед на поверхности. Кроме того, Voyager 2 в 1989 году обнаружил на Тритоне признаки активности, которую связывают с азотными гейзерами.
Поэтому Тритон является естественным объектом для сравнения с Плутоном.
Если на двух далеких ледяных мирах действуют сходные физические механизмы, это поможет лучше понять поведение азота при крайне низких температурах.
При этом нельзя автоматически считать, что процессы на Тритоне и Плутоне полностью одинаковы. У этих объектов разные размеры, внутреннее строение, орбитальные условия и история формирования.
Эрида также может оказаться полезной для исследований
Еще одним потенциально интересным объектом является карликовая планета Эрида.
Она находится значительно дальше от Солнца, чем Плутон, и отличается другими физическими условиями. Однако изучение ее поверхности может помочь проверить, насколько распространены необычные формы поведения льдов во внешней Солнечной системе.
Подобные сравнения особенно важны потому, что большинство ледяных миров остаются практически неисследованными непосредственно.
Почему ученым придется изучать не только водяной лед
Внешняя Солнечная система предлагает необычную физику
Большая часть лабораторных исследований поведения льда связана с водой. Для земной науки это естественно, поскольку вода является фундаментальным веществом окружающей среды.
Но во внешней Солнечной системе ситуация совершенно другая.
Там при низких температурах твердыми становятся азот, метан, углекислый газ и другие вещества. Они могут формировать рельеф, перемещаться по поверхности и участвовать в циклах испарения и конденсации.
Изучение таких материалов необходимо для понимания того, как работают планетарные поверхности при температурах и давлениях, которые трудно воспроизвести в обычных земных условиях.
Поведение азотного льда изучено гораздо хуже водяного
Исследователи отмечают, что физика твердого азота при очень низких температурах и под воздействием напряжений изучена недостаточно подробно.
В частности, необходимо лучше понимать, как азотный лед реагирует на механическое давление, деформацию и нагрузку многокилометровой ледяной толщи.
Эти процессы могут оказаться важными для объяснения не только отдельных деталей Sputnik Planitia, но и общего поведения ледяных поверхностей во внешней части Солнечной системы.
Почему открытие важно для будущих исследований Плутона
Для Плутона нужны новые карты поверхности
New Horizons исследовал Плутон во время одного пролета, поэтому значительная часть поверхности остается изученной хуже, чем Sputnik Planitia и другие районы, находившиеся в поле зрения аппарата.
Нельзя исключать, что похожие процессы происходят и в других местах, но пока остаются незамеченными.
Более полное картографирование позволило бы определить, насколько распространены признаки движения азотного материала.
Если аналогичные структуры будут обнаружены в нескольких регионах, это существенно укрепит представление о существовании глобальных или региональных циклов азотного льда.
Новые наблюдения помогут отличить разные механизмы
Одного визуального сходства с земными ледниковыми структурами недостаточно, чтобы окончательно установить происхождение плутонианских особенностей.
Необходимо проверить различные сценарии — от движения вещества под ледяной толщей до процессов, связанных с испарением, конденсацией и механическим перемещением льда.
Особенно важны компьютерные модели, которые позволяют оценить, какие условия необходимы для плавления азота и насколько быстро жидкость может перемещаться через твердый лед.
Сопоставление моделей с реальными особенностями поверхности позволяет постепенно исключать физически невозможные варианты.
Плутон снова показывает, что ледяные миры не обязательно мертвы
Открытие признаков возможного движения жидкого азота особенно интересно потому, что Плутон долгое время представляли как холодный, далекий и практически неподвижный мир.
Наблюдения New Horizons показали противоположное. На его поверхности происходят процессы, связанные с движением азотного льда, а отдельные регионы имеют очень молодой геологический возраст.
Теперь ученые получили новые признаки того, что азот может перемещаться не только в твердом состоянии или через атмосферный цикл, но и в жидком виде под поверхностью.
При этом необходимо сохранять четкое различие между установленными фактами и предлагаемой интерпретацией. Снимки действительно показывают характерные темные структуры, а их сходство с земными областями, где жидкость выходит из-под льда, является существенным аргументом в пользу подповерхностного происхождения. Но конкретный механизм плавления азота и его подъема на поверхность пока не установлен окончательно.
Тем не менее результат показывает, насколько необычной может быть геология далеких ледяных миров. Плутон получает солнечной энергии в сотни раз меньше Земли и имеет поверхность с температурой около −229 °C, однако это не исключает существования процессов, способных изменять его рельеф.
Равнина Спутника в этом отношении представляет собой своеобразную природную лабораторию. Здесь азотный лед движется, поверхность обновляется, а возможное появление жидкого азота добавляет еще один механизм переработки ландшафта. Изучение этих процессов позволяет не только лучше понять Плутон, но и расширить представления о том, каким может быть поведение льдов на других холодных телах Солнечной системы.
Источники:
Статья создана по материалам UniverseToday.com
