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Jan. 22 2025

冥王星與冥衛一的「親吻-俘獲」:柯伊伯帶雙小天體的新形成模式

  • 新視野號太空船在 2015 年飛掠時拍攝了這些冥王星(右下)及其大型衛星冥衛一(左上)的影像。此影像是合成圖,冥王星與冥衛一大小比例不符。Credits: SWRI/JHUAPL/NASA

    新視野號太空船在 2015 年飛掠時拍攝了這些冥王星(右下)及其大型衛星冥衛一(左上)的影像。此影像是合成圖,冥王星與冥衛一大小比例不符。Credits: SWRI/JHUAPL/NASA

  • 新視野號太空船在 2015 年飛掠時拍攝了這些冥王星(右下)及其大型衛星冥衛一(左上)的影像。此影像是合成圖,冥王星與冥衛一大小比例不符。Credits: SWRI/JHUAPL/NASA

    新視野號太空船在 2015 年飛掠時拍攝了這些冥王星(右下)及其大型衛星冥衛一(左上)的影像。此影像是合成圖,冥王星與冥衛一大小比例不符。Credits: SWRI/JHUAPL/NASA

  • 新視野號太空船在 2015 年飛掠時拍攝了這些冥王星(右下)及其大型衛星冥衛一(左上)的影像。此影像是合成圖,冥王星與冥衛一大小比例不符。Credits: SWRI/JHUAPL/NASA

    新視野號太空船在 2015 年飛掠時拍攝了這些冥王星(右下)及其大型衛星冥衛一(左上)的影像。此影像是合成圖,冥王星與冥衛一大小比例不符。Credits: SWRI/JHUAPL/NASA

  • 新視野號太空船在 2015 年飛掠時拍攝了這些冥王星(右下)及其大型衛星冥衛一(左上)的影像。此影像是合成圖,冥王星與冥衛一大小比例不符。Credits: SWRI/JHUAPL/NASA

    新視野號太空船在 2015 年飛掠時拍攝了這些冥王星(右下)及其大型衛星冥衛一(左上)的影像。此影像是合成圖,冥王星與冥衛一大小比例不符。Credits: SWRI/JHUAPL/NASA

  • 新視野號太空船在 2015 年飛掠時拍攝了這些冥王星(右下)及其大型衛星冥衛一(左上)的影像。此影像是合成圖,冥王星與冥衛一大小比例不符。Credits: SWRI/JHUAPL/NASA

    新視野號太空船在 2015 年飛掠時拍攝了這些冥王星(右下)及其大型衛星冥衛一(左上)的影像。此影像是合成圖,冥王星與冥衛一大小比例不符。Credits: SWRI/JHUAPL/NASA

冥王星與冥衛一(凱倫,Charon)是柯伊伯帶(Kuiper Belt)中最大的雙小天體系統,其形成機制一直是太陽系相關研究的焦點。最新研究提出「親吻-俘獲」(kiss-and-capture)模型,認為兩者在撞擊後曾短暫結合,最終分離並進入穩定軌道。

冥王星與冥衛一是太陽系外圍柯伊伯帶中最大的一對雙小天體系統。冥衛一的大小約為冥王星的一半,質量則約為 12%,遠比太陽系內其他行星或矮行星的衛星相對來說更為巨大。自 1990 年代以來,行星科學家一直推測,冥衛一的形成方式可能與地球的月球類似,即某個天體撞擊冥王星,拋出熔融物質,最終在軌道上聚合成一顆衛星。然而,這一理論的細節一直模糊不清。過去的模擬雖然顯示這類碰撞可能形成類似的雙小天體系統,但早期模型多將天體視為某種程度的流體。這種假設在描述氣態巨行星時較為合理,因為它們在碰撞時確實會呈現流體特性。然而,冥王星與冥衛一皆為冰岩混合的天體,結構強度不容忽視。

而在最新的模擬中,天文學家納入了天體的結構特性,冥王星擁有岩石核心並覆蓋厚厚的冰殼,而冥衛一則由約 50% 的岩石與 50% 的冰組成。透過更細緻的模擬,天文學家提出了一種全新的「親吻-俘獲」(kiss-and-capture) 碰撞模式,來解釋冥王星與冥衛一系統的形成過程。在此模型中,冥王星與冥衛一碰撞後並未發生劇烈拋射,而是短暫結合成一組一大一小相連的形態,類似雪人,但仍維持各自的完整性,且不斷的互相環繞。在約 30 小時 的接觸後,冥衛一漸脫離冥王星,並開始向外遷移,最終進入今日的軌道位置。這與先前「撞擊-合併」(graze and merge) 或「撞擊-逃逸」(hit and run) 模型的結果截然不同,在「親吻-俘獲」過程中,兩個天體並未完全合併,而是透過引力相互束縛,爾後又逐漸分離逐漸分離。

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影片說明:天文學家以新的「親吻-俘獲」碰撞模式,來解釋冥王星與冥衛一系統的形成過程。此模擬顯示的過程約持續 60 小時。

冥王星與冥衛一的這種形成方式與地球的月球有相似之處,但又有顯著的不同。目前的主流學說是,月球是由火星大小的天體撞擊地球後拋出的熔融碎片逐漸聚合而成。然而,這種劇烈的碰撞模式無法完全解釋冥王星與冥衛一系統,因為它們位於寒冷的太陽系邊緣,由岩石與冰構成,具有更高的結構完整性,不會像熔岩那樣輕易變形。

最新提出的碰撞過程不僅改變了我們對冥王星與冥衛一系統的理解,也為冥王星可能有地下海洋的存在提供了新的支持。撞擊過程會釋放熱能,提升冥王星冰殼的溫度,可能導致部分冰層融化,形成地下海洋。此外,在冥衛一逐漸遠離冥王星的過程中,潮汐力可能加熱冥王星,進一步影響其內部的熱演化。這點至關重要,因為我們不確定冥王星在撞擊前的熱狀態,如果冥王星最初是一顆寒冷的天體,且不具備海洋,那麼這次撞擊可能就是關鍵的轉折點,使冥王星邁向擁有地下海洋。

這項新研究不僅適用於冥王星與冥衛一,還可能解釋柯伊伯帶內其他類似系統的形成,例如矮行星鬩神星 (Eris) 及其衛星,以及矮行星亡神星 (Orcus) 及其衛星。研究團隊計畫進一步擴展這項研究,測試不同質量與成分的天體是否也能透過「親吻-俘獲」機制形成雙小天體系統。也許在在太陽系的歷史中,柯伊伯帶內曾經發生過無數次「親吻-俘獲」事件。此研究結果發表於《自然》(Denton et al. 2025)。

 

資料來源:Science News

本文轉載自臺北市立天文科學教育館網站。

FEB. 2025

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