一个全新的世界:天文学家绘制了土卫六的第一张全球地图


   2019-11-26 丨 资讯 丨 nasachina  丨  No Comment 丨  366

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一个全新的世界:天文学家绘制了土卫六的第一张全球地图

在这张NASA卡西尼号探测器拍摄的图像中,阳光照射到土卫六北极附近的液态甲烷湖泊上,并反射了回来。
图片来源:NASA /加州理工学院-喷气推进实验室/亚利桑那州立大学/爱达荷大学(University of Idaho)

利用美国航空航天局(NASA)卡西尼号土星探测任务的数据,天文学家首次绘制了土卫六(Titan,又称“泰坦”)的全球地质图,揭示了土星这颗最大卫星的地形多样性,包含了沙丘、湖泊、山脉、平原、陨石坑以及其他多种地形地貌。

除了地球之外,土卫六是我们太阳系中唯一已知的表面存在稳定液体的行星体(planetary body,太阳系中所有地质情况与行星相同或相似的二级星体,包括行星、矮行星或质量与行星相当的卫星)。与地球上形成湖泊和海洋的情况不同,土卫六上降下的不是来自云层的液态雨水,而是液态的甲烷和乙烷,这两种碳氢化合物在地球上通常以气体形式存在,但在土卫六寒冷严酷的气候下却变成了液体。

行星地质学家罗莎莉•洛佩斯(Rosaly Lopes)说:“土卫六的水文循环(hydrologic cycle)以甲烷为基础,性质非常活跃,在土卫六上形成了一个复杂的地质景观,使这颗卫星成为了太阳系中表面地质多样性最为突出的星体之一。土卫六有着像地球一样的大气层;它有风、有雨,还有山。这是一个非常有趣的世界,也是在太阳系中寻找地外生命的绝佳位置之一。”洛佩斯是绘制土卫六地图新研究的主要作者,就职于加利福尼亚州帕萨迪纳市的NASA喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory,JPL)。

“尽管在物质材料、温度和重力场方面,地球与土卫六之间都有所不同,但这两个星球的表面特征却拥有诸多相似之处,可以解释为同类型地质过程的产物。土卫六的全球地图显示,在整颗星球的范围内,不同的地质地形具有清晰的纬度分布,并且,某些地形在土卫六上的覆盖范围远比其他地形要多得多。”

一个全新的世界:天文学家绘制了土卫六的第一张全球地图

土卫六的第一张全球地质图,图上标出了一些已经命名的表面地质特征,数据来源于NASA卡西尼号任务的雷达图像和可见光图像。卡西尼号于2004年至2017年围绕土星飞行。
图片来源:NASA /加州理工学院-喷气推进实验室/亚利桑那州立大学

这张全球地图显示,土卫六表面几乎有三分之二的区域是平坦的平原;17%被风塑造的沙丘所覆盖,大部分位于赤道附近;有大约14%的区域被归类为“丘陵地带”(hummocky),即丘陵或山区;还有大约1.5%被称为“迷宫”地带,布满了被雨水和风化蚀刻的山谷;令人惊讶的是,土卫六表面的陨石坑非常少,表明这颗卫星的“面庞”还相当年轻。

洛佩斯和她的团队,包括喷气推进实验室的迈克尔•马拉斯卡(Michael Malaska),与她的行星地质学家同事、来自位于坦佩的亚利桑那州立大学(Arizona State University)地球与太空探索学院的大卫•威廉姆斯(David Williams)合作完成了这项研究。他们的相关发现(包括土卫六地质地形的相对年龄)于11月18日发表在《自然•天文学》(Nature Astronomy)杂志上。

2004年至2017年,NASA的卡西尼号土星探测器在围绕土星运行期间,飞越了120颗大小与水星相当的卫星,收集了大量有关土星这颗气态巨行星(gas giant)及其卫星的宝贵数据。在飞掠土卫六表面的100多次经历中,卡西尼号让研究人员能够透过它浓厚的大气瞥见这颗卫星的真容,观察到表面地形地貌的诸多细节。

一个全新的世界:天文学家绘制了土卫六的第一张全球地图

彩色球形的土卫六正从土星及其环前经过,NASA的卡西尼号探测器在2011年拍摄了这张真彩色照片。
图片来源:NASA /加州理工学院-喷气推进实验室/空间科学研究所(Space Science Institute)

在这次的研究中,洛佩斯团队使用的正是卡西尼号的数据,更确切地说,是来自卡西尼号雷达成像仪(radar imager)的数据,雷达成像仪在飞行期间穿过了土卫六富含氮气和甲烷的不透明大气环境。此外,该团队还使用了卡西尼号的可见光和红外光仪器探测的数据,这些仪器能穿透甲烷迷雾,捕获土卫六表面一些范围较大较明显的地质特征。

“这项研究是一个结合数据集和工具使用的绝佳范例,”洛佩斯说道,“尽管我们没有使用合成孔径雷达(synthetic aperture radar,SAR)进行全球覆盖,但我们使用了来自其他仪器和雷达的其他数据模式,对不同地形单元的特征进行关联,因此即使是那些没有被SAR覆盖的区域,我们也可以推断出它们的地形地貌。”

威廉姆斯与喷气推进实验室团队合作,首先使用雷达图像,然后将这些单元图像外推到雷达未能覆盖的区域,从而确认出土卫六上有哪些地质单元的地形地貌是可以确定的。为此,威廉姆斯积累了足够的经验:借助NASA麦哲伦号金星轨道探测器(Magellan Venus)的雷达图像,以及他此前绘制的土卫六部分区域地质图。

“卡西尼号飞行任务揭示了一个重要的事实,那就是土卫六是一个地质上非常活跃的世界,甲烷和乙烷等碳氢化合物在土卫六上承担着水在地球上的作用,”威廉姆斯说,“这些液态的碳氢化合物降落在土卫六表面,流动形成小溪与河流,累积形成湖泊与海洋,还会蒸发回到大气之中。这是一个多么令人震惊的世界啊!”

除了土卫六之外,天文学家已经为许多其他卫星和行星绘制了地质图,包括我们的月球、火星和水星。纽约布法罗大学(University at Buffalo)的行星地质学家特雷西•格雷格(Tracy Gregg)表示,这种地质图是“一种非常强大的工具”,将使科学家能够回答有关土卫六的许多关键问题。“其中之二就是:土卫六经历了哪些季节性的变化?土卫六内部的热量可能会导致什么样的变化?”格雷格说道。

比如说,土卫六的大部分湖泊都位于北极附近,科学家认为这是因为土星绕太阳的椭圆轨道使土卫六北半球经历的夏季比南半球更长,而夏季又是液态甲烷和乙烷降落并聚集于地面的季节。

NASA计划在2026年发射“蜻蜓”(Dragonfly)任务,并让这架大型无人机在2034年抵达土卫六。“蜻蜓”将进行多次飞行,对土卫六上的多个不同地点进行研究。但目前为止,还没有机构计划将更多的轨道飞行器送往土星或它的卫星,因此在可预见的将来,这张地质图很可能仍是我们对土卫六的最佳全球视图。

卡西尼-惠更斯号(Cassini-Huygens)飞行任务是NASA、欧洲空间局(European Space Agency,ESA)和意大利航天局(Italian Space Agency)的合作项目。NASA的喷气推进实验室行政上从属于帕萨迪纳市的加州理工学院(Caltech),负责管理NASA在华盛顿科学任务理事会(Science Mission Directorate)的研究任务。喷气推进实验室设计、开发并组装了卡西尼号轨道飞行器,雷达仪由喷气推进实验室和意大利航天局制造,由来自美国和几个欧洲国家的团队成员一同负责。

参考来源:
[1] https://www.nasa.gov/feature/jpl/the-first-global-geologic-map-of-titan-completed
[2] https://www.nature.com/articles/d41586-019-03539-8
[3] https://www.nature.com/articles/s41550-019-0917-6
[4] https://en.wikipedia.org/wiki/Planetary_body
[5] https://solarsystem.nasa.gov/moons/saturn-moons/titan/in-depth/
[6] https://solarsystem.nasa.gov/cassini
[7] https://www.nature.com/articles/d41586-019-02027-3

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