Харон — тело среднего размера, шириной около 750 миль (1207 километров), расположенное в поясе Койпера — кольце ледяных обломков, комет и карликовых планет, также называемых транснептуновыми объектами (ТНО), на краю Солнечной системы. В отличие от многих крупных объектов пояса Койпера, поверхность Харона не покрыта летучими льдами, такими как метан, что позволяет учёным получить ценную информацию о влиянии солнечного света на образование кратеров на этих удалённых телах. Кроме того, Харон — единственный транснептуновый объект среднего размера, для которого доступно геологическое картирование. Это стало возможным благодаря данным, собранным космическим аппаратом NASA New Horizons, который посетил систему Плутона около десяти лет назад.
Новые модели предполагают, что при замерзании внутреннего океана Харона могли образоваться глубокие, вытянутые впадины вдоль его средней части, но это может означать, что внешняя оболочка в какой-то момент истории спутника была тоньше, чем предсказывается в настоящее время. Модели также предполагают, что криовулканы, извергающиеся со льдом, водой и другими материалами, менее вероятны в северном полушарии Харона.
Ледяные геологические особенности Харона стали шоком для учёных, когда космический аппарат НАСА «Новые горизонты» посетил систему Плутон -Харон в 2015 году. Ранее учёные считали Харон инертным ледяным шаром. С тех пор научная группа под руководством исследователей из Юго-Западного исследовательского института (SwRI) изучает данные, полученные с «Новых горизонтов», пытаясь выяснить причину этих ледяных геологических особенностей.
Член команды и исследователь SwRI Алисса Роден является экспертом в области геофизики ледяных спутников, особенно тех, на которых есть собственные океаны.
Изображение Харона с метками, указывающими на трещины на его поверхности, которые могли быть вызваны замерзшим внутренним океаном. NASA/Лаборатория прикладной физики Университета Джонса Хопкинса/Southwest
«Сочетание геологических интерпретаций и моделей термоорбитальной эволюции предполагает, что под поверхностью Харона находился жидкий океан, который впоследствии замёрз», — заявила она. «Когда внутренний океан замерзает, он расширяется, создавая значительные напряжения в своей ледяной оболочке и повышая давление на воду под ней. Мы предполагали, что именно это и стало причиной образования крупных каньонов и криовулканических потоков на Хароне». Исследование группы опубликовано в журнале Icarus в 2023 году.
Роден смоделировала образование трещин в ледяном панцире Харона по мере замерзания океана под ним, чтобы лучше понять эволюцию поверхности и недр этого спутника. Океаны, учтённые в моделях, состояли из воды, аммиака и их смеси. Несмотря на то, что аммиак может действовать как антифриз, а высокие концентрации могут способствовать сохранению продолжительности существования жидких океанов, Роден обнаружила, что различия в составе океана не оказывают существенного влияния на результаты.
Когда замёрзший океан давил на внешнюю оболочку Харона, это приводило к образованию трещин, пронизывающих всю оболочку. По мере увеличения объёма океана давление на лежащую над ним жидкость становилось всё сильнее, и она извергалась через трещины на поверхность Харона.
Группа учёных искала условия, при которых трещины могли бы полностью пронизать ледяную оболочку Харона, соединяя поверхностные и подземные воды и способствуя криовулканизму, источником которого был океан. Это показало, что современные теории эволюции спутника Плутона могут быть неверны. Эти теории предполагают, что ледяные оболочки Харона были слишком толстыми, чтобы полностью расколоться под действием напряжений, связанных с замерзанием океана.
Изображение карликовой планеты Плутон (слева) и её крупнейшего спутника Харона. Марк Гарлик/Science Photo Library/Getty Images
Либо ледяной панцирь Харона был менее 10 км в момент образования потоков, а не более 100 км, как предполагалось, либо поверхность не имела прямого сообщения с океаном в процессе извержения. Если бы ледяной панцирь Харона был достаточно тонким, чтобы полностью расколоться, это означало бы значительно более сильное замерзание океана, чем показывают каньоны, обнаруженные на полушарии Харона.
Эти каньоны проходят вдоль глобального тектонического пояса хребтов, пересекающего поверхность Харона, разделяя северную и южную геологические области спутника Плутона. Модель, разработанная учёными, предполагает, что каньоны, возможно, образовались в разломах ледяного покрова, которые не доходят до её океана, то есть они образовались после разломов, вызванных криовулканизмом, и когда оболочка Харона утолщилась.
Идея о том, что криовулканизм Харона обусловлен наличием замёрзшего океана, может быть подтверждена, если будущая миссия обнаружит дополнительные более крупные протяжённые образования по всему полушарию спутника. Эти образования, не обнаруженные аппаратом «Новые горизонты», подтверждают предположение о том, что океан Харона был толще, чем ожидалось, а его оболочка тоньше.
Замерзание океана также предсказывает последовательность геологической активности, при которой криовулканизм, вызванный океаном, прекращается до наступления тектонизма, вызванного деформациями. Более подробный анализ геологической летописи Харона может помочь определить, реален ли такой сценарий.
С помощью космического телескопа имени Джеймса Уэбба (JWST) в 2024 году астрономы обнаружили углекислый газ и перекись водорода на замёрзшей поверхности Харона, крупнейшего спутника Плутона. Обнаружение этих молекул может помочь учёным понять, как образовались Харон и другие ледяные тела на окраине Солнечной системы.
С момента своего открытия в 1978 году Харон подвергался активному изучению, однако предыдущие исследования были ограничены в плане того, какие длины волн света можно было исследовать в ходе этих исследований. Это оставило пробелы в понимании состава поверхности этого спутника Плутона. В результате учёные обнаружили на Хароне водяной лёд, аммиачные соединения и органические соединения, но углекислый газ и перекись водорода не были обнаружены. До сих пор, по крайней мере.
Изображение потрескавшейся и изрытой кратерами поверхности Харона, спутника Плутона, полученное миссией New Horizon в 2015 году. NASA/JPL-Caltech
Группа ученых под руководством Сильвии Протопапы из Юго-западного научно-исследовательского института (SwRI) заполнила эти пробелы, изучая Харон с помощью спектрографа ближнего инфракрасного диапазона (NIRSpec) телескопа JWST. Исследование было опубликовано 1 октября 2024 в журнале Nature Communications.
Исследование показывает, что на поверхности Харона сохранились свидетельства его формирования, такие как наличие углекислого газа, а также признаки процессов облучения, о чём свидетельствует наличие перекиси водорода. Эти открытия расширяют известные данные о составе Харона, включая водяной лёд , аммиачные соединения и органические вещества, ответственные за его серо-красный цвет.
В целом, эти факторы делают Харон бесценным объектом для изучения, изучая который можно извлечь много полезной информации. Открытия дают ценную информацию о том, как такие процессы, как воздействие солнечного света и образование кратеров, формируют поверхность Харона и, как следствие, других ледяных тел среднего размера за пределами орбиты Нептуна.
График, демонстрирующий световую сигнатуру Харона, указывающую на обнаружение перекиси водорода и углекислого газа. Сильвия Протопапа (SwRI), Ян Вонг (STScl)
Состав звёзд, планет и лун можно определить по свету, который они излучают или отражают от своей поверхности. Это возможно, поскольку элементы поглощают и излучают свет на определённых длинах волн . Таким образом, изучение спектров небесных тел с помощью метода, называемого «спектроскопией», позволяет выявить «отпечатки» элементов и химических соединений.
Протопапа и ее коллеги пришли к своим выводам, сравнив спектроскопические наблюдения JWST с лабораторными измерениями и подробными спектральными моделями поверхности Харона. Это привело их к выводу, что углекислый газ присутствует преимущественно в виде поверхностного слоя на богатой водяным льдом подземной поверхности.
Поверхность Харона, обнаруженная миссией «Новые горизонты», представляет собой множество кратеров, окружённых яркими слоями извергаемых веществ, богатых водяным льдом и аммиачными соединениями. Эти геологические особенности указывают на то, что материалы, находящиеся под поверхностью, были обнажены в результате ударных событий, что позволяет заглянуть в состав недр спутника. Группа интерпретирует это так: верхний слой углекислого газа имеет внутреннее происхождение и вышел на поверхность в результате образования кратеров. Наличие углекислого газа также ожидалось, поскольку известно, что это соединение присутствует в областях протопланетного диска, из которого образовалась система Плутона.
Чего группа не ожидала, так это обнаружения перекиси водорода. Присутствие перекиси водорода на поверхности Европы, спутника Юпитера, известно с 2000-х годов. Неожиданное присутствие перекиси водорода на Хароне навело команду на мысль, что богатая водяным льдом поверхность крупнейшего спутника Плутона активно изменяется под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца, частиц солнечного ветра и потоков заряженных частиц из-за пределов Солнечной системы, называемых «галактическими космическими лучами».
Спутник Плутона Харон, полученный телескопом New Horizon. NASA/JPL-Caltech
Перекись водорода образуется из соединения соседних гидроксид-ион-радикалов, которые возникают при расщеплении молекул воды под действием поступающих ионов, электронов или фотонов. Ккоманда провела новые лабораторные измерения, чтобы подтвердить возможность получения перекиси водорода даже в присутствии углекислого газа.
Команда ещё не закончила изучение крупнейшего спутника Плутона. JWST продолжит изучение Харона, и учёные будут использовать полученные данные для лучшего понимания ледяных транснептуновых объектов в целом. Будущие наблюдения JWST, направленные на спектральные пробелы, не охваченные текущими данными, могут привести к новым открытиям в составе Харона и дальнейшему расширению его химического состава, возможно, выявив другие механизмы, участвующие в этом процессе.
Исследование конца 2025 года предполагает, что миллиарды лет назад Плутон, возможно, захватил свою самую большую луну, Харон, очень коротким ледяным «поцелуем». Эта теория могла бы объяснить, как карликовая планета смогла захватить луну, которая примерно вдвое меньше его.
Группа исследователей полагает, что два холодных мира, расположенных в поясе Койпера – кольце ледяных тел, расположенном далеко от Солнца на краю Солнечной системы – столкнулись миллиарды лет назад. Вместо того чтобы взаимно уничтожить друг друга, эти два тела объединились, образовав вращающийся «космический снеговик». Эти тела относительно быстро разделились, но сохранили орбитальную связь, образовав систему Плутон / Харон, которую мы видим сегодня. Исследование группы было опубликовано 6 января 2025 года в журнале Nature Geoscience.
Смотрите также... Немного о кошках: история одомашнивания и интересные факты о поведении домашних питомцев |
Этот процесс «поцелуя и захвата» представляет собой новую теорию захвата лун и космического столкновения. Он также может помочь учёным лучше изучить структурную прочность холодных, ледяных миров в поясе Койпера.
Было обнаружено, что если предположить, что Плутон и Харон — тела, обладающие материальной прочностью, то Плутон действительно может захватить Харон в результате гигантского удара. Процесс этого столкновительного захвата называется «поцелуем и захватом», потому что Плутон и Харон на короткое время сливаются, образуя элемент «поцелуя», прежде чем разделиться, образуя два независимых тела.
Большинство сценариев столкновения планет классифицируются как «удар и бегство» или «касание и слияние», то есть сценарий «поцелуя и захвата» — это нечто совершенно новое.
На иллюстрации изображен Плутон и его крупнейший спутник Харон. NASA/Robert Lea
Причина, по которой взаимоотношения Плутона и Харона вызывают у ученых затруднения, заключается в сравнительно небольшой разнице в размерах и массе этих двух ледяных тел. Харон настолько огромен по сравнению с Плутоном, что они фактически являются двойной планетой. Он вдвое меньше Плутона и составляет 12% его массы, что делает его гораздо более похожим на Луну Земли, чем на любой другой спутник в Солнечной системе.
Для сравнения, наша Луна составляет всего четверть размера Земли, а самая большая луна в Солнечной системе, Ганимед, составляет около 1/28 размера своей материнской планеты, Юпитера.
Исследователь из Университета Аризоны, который также является постдокторантом НАСА, добавил, что получить такую относительно большую луну «нормальным» способом сложно. («Нормальным» считается гравитационный захват лун, таких как луны Марса Фобос и Деймос, а также луны планет-гигантов Юпитера и Сатурна).
Это означает, что преобладающая теория формирования системы Плутона и Харона основана на идее столкновительного захвата, аналогичного тому, как, как полагают, массивное тело врезалось в Землю, выбрасывая материал, который наша планета захватила для рождения нашей Луны.
На снимке экрана показана система Плутон/Харон во время связанной фазы «снеговика». Роберт Меликян/Адин Дентон
При стандартном «столкновительном захвате» происходит мощное столкновение, в результате которого два тела растягиваются и деформируются подобно жидкости. Этот процесс хорошо объясняет возникновение системы Земля/Луна, поскольку интенсивное тепло, выделяющееся при столкновении, и большая масса вовлечённых тел заставляют их действовать подобно жидкости.
При рассмотрении процесса столкновения Плутона и Харона следует учитывать ещё один фактор: структурную прочность более холодных ледяных и каменистых тел. Этот фактор ранее игнорировался исследователями при рассмотрении столкновительного происхождения Харона.
Чтобы учесть это при моделировании, команда обратилась к высокопроизводительному вычислительному кластеру Университета Аризоны. Когда Дентон и его коллеги учли прочность этих материалов в моделировании, обнаружилось нечто совершенно неожиданное. Поскольку оба тела обладают материальной прочностью, Харон не проник достаточно глубоко в Плутон, чтобы слиться с ним; и это неверно, когда тела находятся в жидком состоянии. При тех же условиях удара, если предположить, что Плутон и Харон не обладают прочностью, они действительно сливаются в одно большое тело, и Харон поглощается. Однако, благодаря прочности, Плутон и Харон сохраняют свою структуру в течение своего краткого слияния.
Поскольку в этом сценарии Харон не мог погрузиться в Плутон, он остался за пределами так называемого «радиуса совместного вращения» обоих тел. В результате он не мог вращаться с такой же скоростью, как Плутон, а это означало, что два тела не могли оставаться слитыми. Команда предполагает, что после их разделения и окончания этого ледяного поцелуя Плутон закрутил Харон на близкую, более высокую круговую орбиту, с которой луна сместилась бы наружу.
«Поцелуй» в этом захвате, слияние, с геологической точки зрения, длится очень недолго, 10–15 часов, после чего оба тела снова разделяются. Затем Харон начинает медленное движение к своему нынешнему положению.
Команда считает, что первоначальное столкновение произошло на очень раннем этапе истории Солнечной системы, вероятно, через десятки миллионов лет после ее образования, то есть миллиарды лет назад.
Наблюдения с помощью космического телескопа имени Джеймса Уэбба (JWST) в 2025 году показывают, что две луны, Никта и Гидра, больше похожи на внутреннюю часть Харона, чем на другие объекты в поясе Койпера. Результаты указывают на то, что спутники среднего размера могут состоять из фрагментов внутренней части Харона, выброшенных во время мощного столкновения, в результате которого образовались Плутон и Харон.
Согласно предыдущим расчетам, Плутон и Харон образовались в результате процесса «поцелуя и захвата». Прародители пары вступили в сближение, в результате которого внешние слои прото-Харона были отделены, образовав диск ледяных обломков. Эти обломки позже объединились, образовав по меньшей мере четыре меньших спутника: Никту, Гидру, Кербер и Стикс, согласно этой гипотезе.
JWST предоставил возможность исследовать эту идею. Ранее в этом году исследователи использовали космический телескоп для классификации цветов транснептуновых объектов (ТНО) — объектов за орбитой восьмой планеты — во внешней Солнечной системе. Однако новое исследование показывает, что Никта и Гидра не вписываются ни в одну из этих классификаций.
Композитное изображение Плутона и Харона, полученное космическим аппаратом NASA New Horizons во время его прохождения через систему Плутона. NASA/JHUAPL/SwRI
По словам Брайана Холлера, планетолога из Института космических исследований, это несоответствие вызвано в первую очередь красноватым веществом на поверхности лун, вероятно, содержащим углерод. Холлер представил свои новые выводы на конференции «Прогресс в понимании Плутона: 10 лет после пролёта», которая прошла в июле в Лореле, штат Мэриленд.
Фактически, древние недра Харона, возможно, падают на его поверхность сегодня. Когда Никта и Гидра сталкиваются с небольшими метеоритами, обломки с их поверхности могут быть выброшены в космос из-за их малой массы и низкой гравитации. Выброшенные частицы могут быть захвачены гравитацией Харона и упасть на его поверхность.
«Возможно, мы изучаем исходный материал прото-Харона», — заявил Холлер в своей презентации в июле. Выбросы Никты и Гидры могут со временем падать на поверхность, образуя слой пыли толщиной в несколько сантиметров. Поскольку Харон — геологически мёртвый мир, эта пыль остаётся на поверхности, образуя слой, аналогичный коре и верхней мантии, которые были сброшены при столкновении, породившем его.
Когда космический аппарат НАСА «Новые горизонты» пролетал мимо системы Плутона в 2015 году, он запечатлел захватывающие виды Никты и Гидры. Были получены данные о составе этой пары. Улучшенные цветные изображения Никты выявили красноватый рисунок в форме круга. Обе луны имеют неправильную форму.
Спутники Плутона в масштабе. Самый большой, Харон, показан внизу. NASA/JHUAPL
По словам Холлера, наблюдения JWST не обязательно выявили существенные детали о спутниках. Вместо этого они дали возможность напрямую сравнить их с другими транснептуновыми объектами. Космический телескоп был сосредоточен на изучении Плутона и Харона. Обнаружение Никты и Гидры — совершенно случайное событие.
Предыдущее исследование, в котором JWST использовался для классификации транснептуновых объектов, заполнило пробел между видимым и ближним инфракрасным диапазонами длин волн, зарегистрированными аппаратом New Horizons. Это позволило провести прямое сравнение средних по размеру лун Плутона с другими объектами внешней Солнечной системы.
Сами Никта и Гидра, вероятно, практически не изменились с момента своего зарождения. Они слишком малы для активных геологических процессов, поэтому единственные изменения их поверхности, вероятно, произошли в результате ударов и космического выветривания.
Изучая подобные системы, исследователи могут лучше понять, что происходит в двух малых лунах. Если другие транснептуновые объекты подверглись аналогичным столкновениям, в результате которых образовались их собственные малые спутники, и их состав удалось изучить, это могло бы пролить ещё больше света на эти небольшие, но загадочные спутники Плутона.
Комментировать в ВконтактеСмотрите также... HTML, CSS-шпаргалка с примерами - тег IMG, figure и picture. Адаптирование, форматирование, эффекты Полный список обработчиков событий HTML / Javascript с примерами |
