小行星谷神星年轻冷阱的历史

何一方88

谷神星北极区地图。颜色区域是在谷神星一年中持续被遮蔽的区域，因此非常寒冷。谷神星的轴倾斜（倾角）随时间缓慢变化，目前为4度，但随时间变化范围在2到20度之间。该颜色表示一个位置在整个轨道上处于阴影中的最大倾角。来源：Erwan Mazarico/GSFC

据行星科学研究所（Alan Fischer）：谷神星是太阳系中最大的小行星，它隐藏着一个黑暗的秘密：极年轻的冰沉积在两极附近永久阴影笼罩的陨石坑中。如果这听起来似曾相识，那是因为我们的月球和水星也有这样的极地冰沉积，这些冰已经研究了几十年。

《行星科学杂志》上发表的《基于精细形状模型的谷神星冷阱历史》一书的主要作者Norbert Schorghofer说：“对于谷神星来说，故事始于2016年，当时环绕谷神星运行的黎明号宇宙飞船瞥见了这些永远黑暗的陨石坑，并在其中一些陨石坑中看到了明亮的冰沉积物。”。PSI科学家Robert Gaskell和John Weirich，以及NASA戈达德太空飞行中心科学家Erwan Mazarico是这篇论文的合著者。

Schorghofer说：“2016年的这一发现带来了一个谜：谷神星极地的许多陨石坑全年都笼罩着阴影——谷神星上的阴影持续了4.6地球年——因此仍然非常寒冷，但只有少数陨石坑有冰沉积。”。“很快，另一项发现提供了一条线索：由于太阳和木星的潮汐，谷神星的自转轴每24000年来回摆动一次。当自转轴倾斜很高，季节性很强时，全年只有少数陨石坑被遮蔽，这些陨石坑中有明亮的冰沉积物。”

为了确定数千年前陨石坑内部的阴影有多大，科学家们构建了数字高程图，然后用它们进行射线追踪计算，从理论上重建投射在陨石坑底部的阴影。这些结果只有与它们所基于的数字形状模型一样可靠。请记住，这些陨石坑的地面总是在阴影中，所以测量它们的深度并不容易。

“黎明”号宇宙飞船有一个非常灵敏的相机，可以辨别阴影笼罩的陨石坑地面上的特征。阳光区域的立体图像通常用于构建阳光区域的数字高程图，但制作阴影地形的高程图是一项很少被接受的挑战。作为新研究的一部分，PSI科学家Robert Gaskell开发了一种新技术，即使在立体图像对的阴影部分也可以重建高度。然后，这些改进的高程图可以用于光线跟踪，以预测寒冷、永久阴影区域的范围。

这些更准确的地图产生了一个令人惊讶的结果：当谷神星达到其最大轴倾斜时（上一次发生在大约14000年前），谷神星上没有一个陨石坑常年被阴影笼罩，其中的任何冰一定很快升华到了太空中。

Schorghofer说：“这只剩下一个合理的解释：冰沉积一定是在最近形成的。研究结果表明，所有这些冰沉积一定都是在过去6000年或更短的时间内积累的。考虑到谷神星的年龄远远超过40亿年，这是一个非常年轻的年龄。”。

Schorghofer说：“谷神星是一个富含冰的物体，但这些冰几乎都没有暴露在表面。上述极地陨石坑和极地以外的一些小块冰是唯一暴露的冰。然而，正如PSI科学家Tom Prettyman和他的团队在2017年发现的那样，冰在浅层深处无处不在，所以即使是一个小型的干燥撞击器也可以蒸发一些冰。”。

“大约6000年前，一颗小行星的碎片可能与谷神星相撞，形成了一个临时的水大气层。一旦水大气层形成，冰就会在寒冷的极地陨石坑中凝结，形成我们今天仍能看到的明亮沉积物。或者，冰沉积物可能是由富含冰的物质雪崩形成的。然后，这些冰只能在寒冷的阴影陨石坑中生存。无论哪种方式，这些事件在天文时间尺度上都是最近发生的，”Schorghofer补充道。

这项研究还探讨了除了水冰之外，其他类型的冰可能被困在谷神星上这些不寻常的陨石坑中的可能性。在我们的月球上，部分极地陨石坑非常寒冷，即使是二氧化碳冰和其他一些化学物质也可能在其中持续数十亿年。谷神星距离太阳更远，因此其极地陨石坑可能比月球的还要冷。

Schorghofer计算了谷神星极地陨石坑内的温度，这是以前从未做过的。答案令人惊讶：尽管这些陨石坑足够冷，可以保留水冰，但它们太热，无法保留其他常见类型的冰。

有两种情况导致了这种情况。首先，谷神星的轴倾角，目前为4度，高于月球的1.5度倾角，因此更多的环形山边缘被阳光照射，更多的光线被散射到坑底。其次，谷神星在北极附近没有常年被遮蔽的陨石坑，不像月球，月球上的一个陨石坑几乎正好位于南极。由于这些原因，谷神星的温度没有月球表面部分地区的温度低。

这项研究描述了使用阴影陨石坑的立体图像重建地形的新方法，提供了谷神星整个北极区的长期阴影区域的新地图，确定了有明亮冰沉积物的极地陨石坑内长期阴影区域范围，并估计了这些陨石坑内部的温度。

Schorghofer说：“无论这些冰沉积的历史如何，它都是由不比人类文明古老多少的事件造成的。”。