De kosmische botsing die Pluto's hart maakte

Een artistieke weergave van de grote, langzame impact op Pluto, waardoor een hartvormige structuur op het oppervlak ontstond. Bron: Universiteit van Bern, Thibaut Roger, uitg

Geheim hoe Pluto Eindelijk is een gigantisch hartvormig kenmerk op het oppervlak opgelost door een internationaal team van astrofysici onder leiding van… Universiteit van Bern en leden van het National Center of Competence in Research (NCCR) PlanetS. Het team is de eerste die de ongebruikelijke vorm met succes heeft gereproduceerd met behulp van digitale simulaties, en schrijft dit toe aan het effect van de gigantische, langzame kantelhoek.

Sinds camera's NASADe New Horizons-missie ontdekte in 2015 een grote hartvormige structuur op het oppervlak van de dwergplaneet Pluto. Dit ‘hart’ bracht wetenschappers in verwarring vanwege zijn unieke vorm, geologische samenstelling en hoogte. Wetenschappers van de Universiteit van Bern in Zwitserland en de Universiteit van Arizona hebben numerieke simulaties gebruikt om de oorsprong van Spoetnik Planitia, het traanvormige westelijke deel van het oppervlaktekenmerk van Pluto's kern, te onderzoeken.

Volgens hun onderzoek werd de vroege geschiedenis van Pluto gekenmerkt door een cataclysmische gebeurtenis die leidde tot de vorming van Spoetnik Planitia: de botsing met een planetair lichaam met een diameter van iets meer dan 640 kilometer, ongeveer zo groot als Arizona van noord naar zuid. De bevindingen van het team, die zijn gepubliceerd in Natuur astronomieHet geeft ook aan dat de interne structuur van Pluto anders is dan eerder werd aangenomen, wat erop wijst dat er geen ondergrondse oceaan bestaat.

“De vorming van Spoetnik Planitia biedt een belangrijk inzicht in de vroege perioden van Pluto’s geschiedenis”, zegt Adeniy Denton, een planetaire wetenschapper aan het Lunar and Planetary Laboratory in Arizona en co-auteur van het artikel. “Door ons onderzoek uit te breiden met meer ongebruikelijke vormingsscenario’s hebben we een aantal compleet nieuwe mogelijkheden voor de evolutie van Pluto ontdekt, die van toepassing zouden kunnen zijn op andere objecten.” Kuipergordel Ook voorwerpen.”

Een weergave van Pluto, gemaakt door NASA's New Horizons-ruimtesonde op 14 juli 2015. Bron van de afbeelding: NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwestern Research Institute

Verdeeld hart

Het “hart”, ook wel tomboregio genoemd, trok onmiddellijk na zijn ontdekking de aandacht van het publiek. Maar het trok ook onmiddellijk de aandacht van wetenschappers omdat het bedekt is met een materiaal met een hoog albedo dat meer licht uit de omgeving reflecteert, waardoor een wittere kleur ontstaat. Maar het hart bestaat niet uit één enkel element. Spoetnik Planitia bestrijkt een gebied van ongeveer 750 bij 1.250 mijl, ongeveer een kwart van de grootte van Europa of de Verenigde Staten. Maar wat opvalt is dat de hoogte van dit gebied ongeveer 4 kilometer lager ligt dan het grootste deel van Pluto's oppervlak.

“Terwijl het overgrote deel van het oppervlak van Pluto bestaat uit methaanijs en zijn derivaten die een korst waterijs bedekken, is Planitia grotendeels gevuld met stikstofijs, dat zich waarschijnlijk snel heeft opgehoopt na de inslag vanwege de lage hoogte”, aldus de hoofdauteur. Uit het onderzoek kwam Harry Ballantyne, een onderzoeksmedewerker in Bern. Het oostelijke deel van de kern is ook bedekt met een vergelijkbare maar veel dunnere laag stikstofijs, waarvan de oorsprong voor wetenschappers onduidelijk blijft, maar waarschijnlijk verband houdt met de Spoetnik Planitia.

Schuin effect

De langgerekte vorm en positie van Spoetnik Planitia op de evenaar suggereren sterk dat de inslag geen directe botsing was, maar eerder een schuine inslag, aldus Martin Goetze van de Universiteit van Bern, die het onderzoek initieerde. Net als vele anderen over de hele wereld gebruikte het team hydrodynamica-simulatiesoftware voor gladde deeltjes om dergelijke inslagen digitaal na te bootsen, waarbij de configuratie van Pluto en zijn inslaglichaam werd gevarieerd, evenals de snelheid en hoek van het inslaglichaam. Deze simulaties bevestigden de vermoedens van wetenschappers over de schuine inslaghoek en bepaalden de configuratie van het inslagobject.

“De kern van Pluto is zo koud dat het gesteente zeer stevig bleef en niet smolt ondanks de hitte van de inslag. Dankzij de inslaghoek en de lage snelheid zakte de inslagkern niet in de kern van Pluto, maar bleef bij een klap intact. “Dit was de fundamentele kracht en lage snelheid.” Relativiteit is de sleutel tot het succes van deze simulaties: de lage kracht zal resulteren in een zeer symmetrisch oppervlak dat in niets lijkt op de traanvorm die wordt waargenomen door NASA's New. Horizons-sonde tijdens zijn vlucht langs Pluto in 2015.

“We zijn gewend om planetaire botsingen te beschouwen als ongelooflijk intense gebeurtenissen waarbij je de details kunt negeren, behalve zaken als energie, momentum en dichtheid”, zegt Eric Asfaugh, professor aan het Lunar and Planetary Laboratory en co-auteur van het onderzoek. team samengewerkt met het onderzoeksteam. Sinds 2011 onderzoeken Zwitserse collega's het idee van planetaire “explosies” om bijvoorbeeld kenmerken aan de andere kant van de maan van de aarde te verklaren. “In het verre zonnestelsel zijn de snelheden veel langzamer dan die dichter bij de zon, en vast ijs is sterk, dus je moet nauwkeuriger zijn in je berekeningen. Dat is waar het plezier begint.”

Er is geen ondergrondse oceaan op Pluto

De huidige studie werpt ook nieuw licht op de interne structuur van Pluto. In feite heeft een gigantische inslag zoals die welke is gesimuleerd, waarschijnlijk veel eerder in de geschiedenis van Pluto plaatsgevonden dan in de moderne tijd. Dit levert echter een probleem op: verwacht wordt dat een gigantische depressie zoals de Spoetnik Planitia in de loop van de tijd langzaam naar de pool van de dwergplaneet zal afdrijven vanwege de wetten van de natuurkunde, omdat deze minder massief is dan zijn omgeving. Het bleef echter dicht bij de evenaar. De voorgaande theoretische verklaring was gebaseerd op het bestaan ​​van een oceaan met vloeibaar water onder het aardoppervlak, vergelijkbaar met veel andere planetaire lichamen in de buitenste delen van het zonnestelsel. Volgens deze hypothese zou de ijskorst van Pluto dunner zijn in het gebied van de Spoetnik Planitia, waardoor de oceaan naar boven zou uitstulpen, en omdat vloeibaar water dichter is dan ijs, zou er een massaoverschot ontstaan ​​waardoor het naar de evenaar zou migreren.

De nieuwe studie biedt volgens de auteurs een alternatief perspectief, wijzend op simulaties waarin de primitieve mantel van Pluto volledig wordt uitgegraven door de inslag, en naarmate het kernmateriaal van de impactor op de kern van Pluto valt, ontstaat er een lokaal massaoverschot dat de migratie zou kunnen verklaren. richting de evenaar zonder Een ondergrondse oceaan, of hooguit een heel dunne oceaan.

Denton, die al aan een onderzoeksproject is begonnen om de snelheid van deze migratie te schatten, zei dat de nieuwe en innovatieve oorsprongshypothese voor Pluto's hartvormige kenmerk kan leiden tot een beter begrip van de oorsprong van de dwergplaneet.

Referentie: “Spoetnik Planitia als overblijfsel van de inslag wijst op een eeuwenoude rotsmassa op de oceaanloze Pluto” door Harry A. Ballantyne, Eric Asfough en C. Aden Denton, Alexander Emsenhuber en Martin Goetze, 15 april 2024, Natuur astronomie.
doi: 10.1038/s41550-024-02248-1