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窥探谷神星内部,科学家用上引力场

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2019-06-27 08:44 科技日报

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作为太阳系小行星带里的“大个子”,直径为940公里的矮行星——谷神星一直备受关注。它是美国“黎明”号探测器的主要观测对象之一。

据物理学家组织网报道,一个国际研究小组通过分析“黎明”号获取的引力场等数据,认为谷神星表面一座圆顶形状的山由泥浆——混合了盐水和固体颗粒的物质组成。该项研究近日在线发表在《自然·地球科学》的官网上。

行星引力场是研究行星内部结构的重要窗口。如何探测行星引力场?引力场数据里,藏着哪些关于行星内部结构和成分的秘密?科技日报记者就此采访了相关专家。

如何探测行星引力场

2007年升空的“黎明”号,主要研究火星和木星之间小行星带中的两个较大目标——灶神星和谷神星。2011年7月到2012年9月,“黎明”号围绕灶神星考察,然后启程前往谷神星,于2015年3月到达目的地。

自2015年初传回截至当时最为清晰的谷神星“靓照”开始,“黎明”号一直在辛勤地工作,传回各种数据。通过对光谱、引力场等数据的研究分析,科学家们对谷神星的认识不断丰富。

为了更好地解释关于引力场的基本概念,中国科学院国家天文台研究员平劲松打了个比方,如果把要探测的天体当作一个质量点看待时,围绕它飞行的卫星所运行的轨道应该是一个圆锥曲线,即椭圆或者抛物线等。

然而,中心引力体并不是一个点,是由物质组成的球体。如果这个球体是一个正球体,那么它对卫星运行轨道的扰动可以忽略不计。

但通常情况下,行星一般不是正球体,而是椭球体,比如旋转椭球体、三轴椭球体等。因此,行星的引力在空间的分布是不均匀的。卫星飞过时候,不均匀的引力场就会对卫星运行的轨道产生扰动。

“那么,通过分析卫星轨道的变化,可以去重建行星的引力特征。”平劲松介绍,影响引力特征分布的主要有两个因素,即物质的形状和密度。

一方面,同样的物质组成,内部形状不一样,产生的引力特征不一样。另一方面,如果物质形状是均匀的,但内部的密度不一样,在空间表达的引力场也是不均匀的。

引力场特征能说明啥

既然形状和密度会影响行星引力场的分布。反过来,通过获得行星引力场在外部空间分布的不均匀性后,可以反推其表面及内部物质的形状结构和密度。

在太阳系里,由小的球粒陨石类物质堆积而成的固体岩石类天体,它们的物质成分比较均匀,密度约为3克/立方厘米。而在地球、火星等行星形成的过程中,由于急剧升温,岩石中的铁和镍这些比较重的物质会流到星体的中间部分,形成核或下部的幔。

铁的密度是7.8克/立方厘米,因此物质流动后,行星表面岩石的密度就变成2.3—2.7克/立方厘米,行星幔部分还会留有一部分铁,那里的密度大概为5克/立方厘米。

“在太空中,如果发现某一个物体的密度低于2.3克/立方厘米,可以推断它里面肯定有挥发性的物质,主要是水。”平劲松指出,水的密度较低,综合在一起,就会拉低物质的密度。

本文开头提到的国际研究小组综合“黎明”号获取的引力场等数据,计算出谷神星表面一座名为阿胡那山(Ahuna Mons)的物质密度在2.1克/立方厘米左右。“由此不难推断,组成阿胡那山的物质里有水冰的存在。”平劲松分析道。

事实上,弄清谷神星是一颗纯岩石类行星,还是其他类型的行星,是对其进行探测的主要任务之一。平劲松认为,在从地面上看起来像是岩石类行星的谷神星的表面和深部发现了大量水,意味着在太阳系内其他的行星或彗星上也可能广泛地存在水,这对于研究生命起源的环境有着重要意义。

责任编辑:陶国琪(QT0003)

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