Skąd się wzięło "serce" Plutona? Naukowcy znaleźli rozwiązanie zagadki

Jasna struktura na Plutonie, która przypomina kształtem serce, to najbardziej charakterystyczna cecha tej planety karłowatej. W nowych badaniach naukowcy ustalili, że najprawdopodobniej powstała w wyniku zderzenia z dużym obiektem. Odkrycia zespołu sugerują również, że wewnętrzna struktura Plutona nie jest taka, jak dotychczas sądzono i planeta ta nie ma podpowierzchniowego oceanu.

Pluton został on odkryty przez amerykańskiego astronoma Clyde’a Williama Tombauga w 1930 roku. Do 2006 roku uznawany był za dziewiątą planetę Układu Słonecznego, ale potem został zdegradowany do planety karłowatej. Degradacja ta związana jest z jego masą, która wynosi ok. 0,002 masy Ziemi. Niektóre księżyce planet, m.in. Ganimedes, Tytan czy Europa, a nawet Księżyc mają większą masę od Plutona.

Pluton jest największym obiektem transneptunowym, czyli obiegającym Słońce po ścieżce znajdującej się poza orbitą Neptuna. Ma bardzo cienką atmosferę, która składa się głównie z azotu z niewielkim dodatkiem metanu i dwutlenku węgla. Posiada co najmniej pięć księżyców, z których największy – Charon – jest tylko o połowę mniejszy od Plutona.

Badacze sądzą, że Pluton uformował się z kawałków skał i lodu zbierających się razem pod wpływem oddziaływań grawitacyjnych w odległym Pasie Kuipera, rozległym obszarze za orbitą Neptuna zdominowanym przez mniejsze i większe planetoidy i planety karłowate.

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

W lipcu 2015 roku należąca do NASA sonda kosmiczna New Horizons przeleciała w pobliżu Plutona dostarczając pierwszych szczegółowych obrazów tej odległej planety karłowatej i jej księżyców. Fotografie pokazały nieoczekiwaną topografię obiektu, w tym biały elipsoidalny basen o nazwie Sputnik Planitia, zlokalizowany w pobliżu równika.

Region ten jest częścią dużej, jasnej struktury zwanej Tombaugh Regio, która przypomina kształtem serce. Badacze uważają, że pod lewym płatem "serca" Plutona może znajdować się płynny ocean. "Serce" intryguje naukowców też ze względu na swój unikalny kształt, skład geologiczny i wysokość nad poziomem morza.

W nowych pracach zespół naukowców z Uniwersytetu w Bernie oraz z Uniwersytetu Arizony w Tucson wykorzystał symulacje numeryczne do zbadania pochodzenia Sputnik Planitia. Uczonym w symulacjach udało się odtworzyć niezwykły kształt "serca" i ustalić, że powstał w wyniku gigantycznego zderzenia.

Rezultaty oraz opis badań ukazał się na łamach pisma "Nature Astronomy" (DOI: 10.1038/s41550-024-02248-1).

Według nowych analiz, wczesna historia Plutona naznaczona była kataklizmem, w wyniku którego powstał region Sputnik Planitia. W zamierzchłej przeszłości doszło do zderzenia planety karłowatej z ciałem o średnicy około 700 kilometrów.

"Serce" przykuło uwagę opinii publicznej natychmiast po jego odkryciu. Wzbudziło też zainteresowanie naukowców ze względu na swoje cechy. Pokryte jest materiałem o wysokim albedo, który odbija więcej światła niż otoczenie, tworząc jego jaśniejszy kolor. Sputnik Planitia - część zachodnia "serca", zajmuje obszar o wymiarach 1200 na 2000 kilometrów. Uderzające jest to, że obszar ten znajduje się o trzy 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, stale wygładzając powierzchnię. Azot ten najprawdopodobniej zgromadził się szybko po uderzeniu ze względu na różnice w wysokości tego regionu – wyjaśnia dr Harry Ballantyne z Uniwersytetu w Bernie, główny autor badania.

Wschodnia część "serca" również pokryta jest podobną, choć znacznie cieńszą warstwą zamarzniętego azotu, którego pochodzenie jest wciąż niejasne dla naukowców, ale prawdopodobnie ma związek ze Sputnik Planitia.

- Wydłużony kształt Sputnik Planitia zdecydowanie sugeruje, że kolizja nie była bezpośrednim zderzeniem czołowym, ale raczej ukośnym – zauważa dr Martin Jutzi z Uniwersytetu w Bernie.

Badacze stworzyli symulacje, by cyfrowo odtworzyć pradawną kolizję. Potwierdziły one podejrzenia naukowców dotyczące kąta uderzenia i pozwoliły określić skład impaktora.

- Jądro Plutona jest tak zimne, że skały pozostały bardzo twarde i nie stopiły się pomimo ciepła uderzenia, a dzięki kątowi uderzenia i małej prędkości jądro impaktora nie zapadło się w jądro Plutona, ale pozostało nienaruszone jako plama – wyjaśnia Ballantyne.

- Gdzieś pod Sputnik Planitia znajduje się pozostałość jądra innego masywnego ciała, którego Pluton nigdy do końca nie strawił – dodaje współautor publikacji Erik Asphaug z Uniwersytetu w Arizonie.

Naukowcy podkreślili, że symulacje pokazały stan zbliżony do rzeczywistego w przypadku stosunkowo niskiej prędkości impaktora i dużej wytrzymałości jądra planety karłowatej. Inne parametry uwzględnione w symulacjach nie utworzyły zaobserwowanych przez sondę New Horizons kształtów.

- Przyzwyczailiśmy się myśleć o zderzeniach planet jako o niezwykle intensywnych wydarzeniach, w których można zignorować szczegóły z wyjątkiem takich czynników, jak energia, pęd i gęstość. Jednak w odległym Układzie Słonecznym prędkości są znacznie mniejsze, a lód mocny, zatem trzeba być znacznie bardziej precyzyjnym w swoich obliczeniach – wskazuje Asphaug.

Symulacje rzuciły też nieco więcej światła na wewnętrzną strukturę Plutona. Istnieje duże prawdopodobieństwo, że gigantyczne uderzenie, takie jak to symulowane, miało miejsce na bardzo wczesnym etapie historii Plutona. Uważa się, że gigantyczna depresja, taka jak Sputnik Planitia, powinna powoli przesuwać się w stronę bieguna planety karłowatej ze względu na prawa fizyki, ponieważ charakteryzuje się deficytem masy. Jednak paradoksalnie znajduje się blisko równika.

Poprzednie wyjaśnienia były takie, że Pluton, podobnie jak kilka innych ciał planetarnych w zewnętrznym Układzie Słonecznym, posiada pod powierzchnią ocean ciekłej wody. W tej koncepcji lodowa skorupa Plutona byłaby cieńsza w regionie Sputnik Planitia, a podpowierzchniowy ocean wypychałby "serce" do góry, uniemożliwiając jego migrację w kierunku bieguna.

Jednak nowe badanie oferuje alternatywną perspektywę. - W naszych symulacjach cały pierwotny płaszcz Plutona zostaje odsłonięty w wyniku uderzenia, a gdy materiał jądra impaktora rozpryskuje się na jądrze Plutona, tworzy się lokalny nadmiar masy, który może wyjaśnić migrację w kierunku równika bez podpowierzchniowego oceanu lub co najwyżej z bardzo małym oceanem – zaznacza Jutzi.