Die kosmische Kollision, die Plutos Herz formte

Eine künstlerische Darstellung des großen, langsamen Einschlags auf Pluto, der eine herzförmige Struktur auf seiner Oberfläche erzeugte. Quelle: Universität Bern, Thibaut Roger, Hrsg

Geheim wie Pluto Schließlich wurde ein riesiges herzförmiges Merkmal auf seiner Oberfläche von einem internationalen Team von Astrophysikern unter der Leitung von … gelöst. Universität Bern und Mitglieder des Nationalen Forschungsschwerpunktes (NFS) PlanetS. Das Team ist das erste, das die ungewöhnliche Form mithilfe digitaler Simulationen erfolgreich reproduzieren konnte, und führt dies auf den Effekt des riesigen, langsamen Neigungswinkels zurück.

Da Kameras NASADie New Horizons-Mission entdeckte 2015 eine große herzförmige Struktur auf der Oberfläche des Zwergplaneten Pluto. Dieses „Herz“ verwirrte Wissenschaftler aufgrund seiner einzigartigen Form, geologischen Zusammensetzung und Höhe. Wissenschaftler der Universität Bern in der Schweiz und der University of Arizona untersuchten mithilfe numerischer Simulationen den Ursprung von Sputnik Planitia, dem tränenförmigen westlichen Teil der Oberflächenstruktur von Plutos Kern.

Ihren Untersuchungen zufolge war Plutos frühe Geschichte von einem katastrophalen Ereignis geprägt, das zur Bildung von Sputnik Planitia führte: seiner Kollision mit einem Planetenkörper mit einem Durchmesser von etwas mehr als 400 Meilen, der von Norden nach Süden ungefähr so ​​groß ist wie Arizona. Die Ergebnisse des Teams, die veröffentlicht wurden in NaturastronomieEs weist auch darauf hin, dass sich die innere Struktur von Pluto von der bisher angenommenen unterscheidet, was darauf hindeutet, dass es unter der Oberfläche keinen Ozean gibt.

„Die Entstehung von Sputnik Planitia bietet ein wichtiges Fenster in die frühen Perioden der Geschichte Plutos“, sagte Adeniy Denton, ein Planetenwissenschaftler am Lunar and Planetary Laboratory in Arizona, der Mitautor des Artikels war. „Durch die Ausweitung unserer Untersuchungen auf ungewöhnlichere Entstehungsszenarien haben wir einige völlig neue Möglichkeiten für die Entwicklung von Pluto kennengelernt, die auf andere Objekte anwendbar sein könnten.“ Kuiper Gürtel Auch Objekte.“

Eine Ansicht von Pluto, aufgenommen von der NASA-Raumsonde New Horizons am 14. Juli 2015. Bildquelle: NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwestern Research Institute

Geteiltes Herz

Das „Herz“, auch Tombo Regio genannt, erregte unmittelbar nach seiner Entdeckung die Aufmerksamkeit der Öffentlichkeit. Aber es erregte auch sofort die Aufmerksamkeit der Wissenschaftler, weil es mit einem Material mit hoher Albedo bedeckt ist, das mehr Licht aus seiner Umgebung reflektiert und so eine weißere Farbe erzeugt. Aber das Herz besteht nicht aus einem einzigen Element. Sputnik Planitia bedeckt eine Fläche von etwa 750 mal 1.250 Meilen, etwa ein Viertel der Größe Europas oder der Vereinigten Staaten. Auffällig ist jedoch, dass die Höhe dieser Region etwa 2,5 Meilen niedriger ist als der Großteil der Plutooberfläche.

„Während der überwiegende Teil von Plutos Oberfläche aus Methaneis und seinen Derivaten besteht, die eine Kruste aus Wassereis bedecken, ist Planitia größtenteils mit Stickstoffeis gefüllt, das sich aufgrund der geringen Höhe wahrscheinlich schnell nach dem Einschlag ansammelte“, sagte der Hauptautor. An der Studie beteiligt war Harry Ballantyne, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter in Bern. Der östliche Teil des Kerns ist ebenfalls von einer ähnlichen, aber viel dünneren Stickstoffeisschicht bedeckt, deren Ursprung für Wissenschaftler unklar bleibt, aber wahrscheinlich mit Sputnik Planitia zusammenhängt.

Schrägeffekt

Laut Martin Goetze von der Universität Bern, der die Studie initiierte, deuten die längliche Form und die Position von Sputnik Planitia am Äquator stark darauf hin, dass es sich bei dem Aufprall nicht um einen direkten, sondern um einen schrägen Aufprall handelte. Wie viele andere auf der Welt verwendete das Team eine Software zur Simulation der Hydrodynamik glatter Partikel, um solche Einschläge digital nachzubilden, wobei die Konfiguration von Pluto und seinem Einschlagkörper sowie die Geschwindigkeit und der Winkel des Einschlagkörpers variiert wurden. Diese Simulationen bestätigten die Vermutungen der Wissenschaftler hinsichtlich des schrägen Aufprallwinkels und bestimmten die Konfiguration des Aufprallobjekts.

„Plutos Kern ist so kalt, dass das Gestein trotz der Hitze des Aufpralls sehr fest blieb und nicht schmolz, und dank des Aufprallwinkels und der geringen Geschwindigkeit sank der Einschlagkern nicht in Plutos Kern, sondern blieb wie ein Schlag intakt.“ „Dies war die grundlegende Kraft und die geringe Geschwindigkeit.“ Der Schlüssel zum Erfolg dieser Simulationen: Die geringe Kraft wird zu einem hochsymmetrischen Oberflächenmerkmal führen, das nichts mit der von der NASA beobachteten Tropfenform zu tun hat Die Horizons-Sonde während ihres Vorbeiflugs an Pluto im Jahr 2015.

„Wir sind es gewohnt, uns Planetenkollisionen als unglaublich intensive Ereignisse vorzustellen, bei denen man die Details ignorieren kann, mit Ausnahme von Dingen wie Energie, Impuls und Dichte“, sagte Eric Asfaugh, Professor am Mond- und Planetenlabor und Mitautor der Studie Das Team arbeitete mit dem Forschungsteam zusammen. Seit 2011 erforschen Schweizer Kollegen die Idee planetarer „Explosionen“, um beispielsweise Merkmale auf der Rückseite des Erdmondes zu erklären. „Im fernen Sonnensystem sind die Geschwindigkeiten viel langsamer als in der Nähe der Sonne, und festes Eis ist stark, daher müssen Sie bei Ihren Berechnungen präziser sein. Da beginnt der Spaß.“

Auf Pluto gibt es keinen unterirdischen Ozean

Die aktuelle Studie wirft auch neues Licht auf die innere Struktur von Pluto. Tatsächlich ereignete sich ein riesiger Einschlag wie der simulierte wahrscheinlich viel früher in der Geschichte Plutos als in der Neuzeit. Dies stellt jedoch ein Problem dar: Aufgrund der Gesetze der Physik wird erwartet, dass eine riesige Depression wie Sputnik Planitia im Laufe der Zeit langsam in Richtung des Pols des Zwergplaneten driftet, da sie weniger massiv ist als ihre Umgebung. Es blieb jedoch in der Nähe des Äquators. Die bisherige theoretische Erklärung basierte auf der Existenz eines Ozeans mit flüssigem Wasser unter der Erdoberfläche, ähnlich wie bei vielen anderen Planetenkörpern im äußeren Sonnensystem. Nach dieser Hypothese wäre Plutos Eiskruste in der Sputnik-Planitia-Region dünner, was dazu führen würde, dass sich der Ozean nach oben ausbaucht, und da flüssiges Wasser dichter als Eis ist, würde es zu einem Massenüberschuss kommen, der dazu führen würde, dass es in Richtung Äquator wandert.

Die neue Studie bietet laut den Autoren eine alternative Sichtweise und verweist auf Simulationen, in denen Plutos primitiver Mantel durch den Einschlag vollständig ausgehöhlt wird und wenn das Kernmaterial des Impaktors auf Plutos Kern fällt, entsteht ein lokaler Massenüberschuss, der die Migration erklären könnte in Richtung Äquator ohne einen unterirdischen Ozean oder höchstens einen sehr dünnen Ozean.

Denton, der bereits ein Forschungsprojekt zur Abschätzung der Geschwindigkeit dieser Migration gestartet hat, sagte, die neue und innovative Ursprungshypothese für Plutos herzförmiges Merkmal könne zu einem besseren Verständnis des Ursprungs des Zwergplaneten führen.

Referenz: „Sputnik Planitia als Einschlagrest weist auf eine alte Felsmasse auf dem ozeanlosen Pluto hin“ von Harry A. Ballantyne, Eric Asfough und C. Aden Denton, Alexander Emsenhuber und Martin Goetze, 15. April 2024, Naturastronomie.
doi: 10.1038/s41550-024-02248-1