在太阳系黑暗的边陲地带，远在冥王星轨道之外，坐落着阋神星和妊神星——两个原始的、小型的冰冷世界，它们眼中的太阳只是一个微小的金刚石斑点。每个世界的表面温度都几乎无法超过绝对零度，科学家们长期以来认为它们岩石内核是冰冷且死寂的。但是，当宇航员使用詹姆斯·韦伯空间望远镜 (JWST) 凝视这两个世界时，他们发现了行星魔法的证据：看起来新鲜的甲烷，据推测是由最近的冰火山爆发产生的。不知何故，这些世界不安分的内部喷发出刺穿地壳的羽流，将富含甲烷的霜冻涂抹在它们的表面。
为了做出这项发现，科学家们利用 JWST 敏锐的红外视觉来确定是哪种氢原子构成了那些霜状甲烷，甲烷分子由一个碳原子和四个氢原子组成。他们发现甲烷中氘含量不足——氘是一种较重的氢同位素，主要是在宇宙大爆炸期间形成的——而标准较轻的氢含量过剩，标准较轻的氢在宇宙中更为普遍。
正如 最近发表在期刊《伊卡洛斯》上的两项研究所报告的那样，这表明阋神星和妊神星上的甲烷并非原始的，而是相对年轻的——不是在时间之初形成的，而是由最近发生在这些寒冷天体深处的剧烈地质活动形成的。换句话说，尽管远离太阳的地方极度寒冷，但这些矮行星可能仍然拥有温暖、跳动的心脏。
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“这真的很酷，”杨百翰大学的行星地质学家 贾尼·拉德博 说，她没有参与这两项研究。作者提出的证据“非常有力”，让人很容易将阋神星和妊神星想象成活跃的、不断变化的岛屿。
经过数十年的渐进式发现，一再表明外太阳系的冰冷世界擅长于维持液态水海洋，也许这些最新的数据点并不那么令人惊讶。然而，它们对生命潜在的宇宙普遍性的惊人影响是不容低估的。“为了让生命在一个行星或卫星上得到支持，你需要有地质活动，”西南研究院的行星科学家 克里斯托弗·格莱因 说，他是这两项研究的作者。来自阋神星和妊神星的这些最新结果“促使你开始将这些天体视为潜在的宜居世界。”
阋神星和妊神星都是在 2005 年加利福尼亚州帕洛玛天文台的巡天调查中发现的。妊神星 的半径约为地球的九分之一，距离太阳几乎是我们地球的 50 倍。阋神星 比地球的卫星月球稍小，距离太阳比地球远约 70 倍。天文学家早期在它们的闪亮表面发现了甲烷的迹象——但除此之外，在接下来的十年里，这两个世界只不过是神秘的光斑。
柯伊伯带——海王星之外环状的冰碎片环——充满了类似彗星的冰冷天体，是太阳系形成过程中的残余物。天文学家推测阋神星和妊神星基本上是一堆古老的、富含甲烷的彗星粘在一起。“这是一个很好的故事。但我们无法真正检验它，”格莱因说。
然后在 2015 年，美国宇航局的“新视野号”探测器飞掠了最著名的柯伊伯带天体冥王星——当一个动态世界进入视野时，科学界的集体下巴都惊掉了，这个世界有氮冰山、火山状的山脉（由外星冰构成）和可疑的陨石坑，暗示着地下的液态水海洋。冥王星并非地质休眠，而是生机勃勃。
正如一些理论家所希望的那样，“新视野号”没有看到炼金术泥浆（水、氮气和甲烷熔岩）的活跃喷发。但景观看起来仍然被年轻的流动、积雪和霜冻所覆盖。“在冥王星之后，一切都变了。突然之间，考虑冰火山变得有意义了，这曾经是一个神话，”耶鲁大学的天体物理学家、阋神星和妊神星的共同发现者 大卫·拉比诺维茨 说，他没有参与这项新工作。
科学家们认为，也许阋神星和妊神星与冥王星并没有什么不同。但是，在没有机器人使者很快前往它们的情况下，谁会知道呢？
JWST 及时赶到。研究人员使用其近红外光谱仪观察来自阋神星和妊神星的反射阳光的闪光，确定了每个世界表面较重甲烷与较轻甲烷的比率。原始甲烷会具有较高比例的氘——类似于67P/丘留莫夫-格拉西缅科彗星的氘，这是一个天文学上极其古老的天体，诞生于太阳开始发光后不久。但是，正如他们在 2023 年 12 月发表的第一项研究中报告的那样，这两个世界反而具有中低比率，表明它们的甲烷外壳年轻得多。
在本月发表的第二项研究中，该团队推测了这种新鲜甲烷的形成方式。一种“热点”模型描述了一个灼热的内部，每个世界的岩石内核的散布斑块在大约 400 摄氏度下烘烤；来自上覆液态水层的液体会向下渗透，与这些天然烤箱中的任何二氧化碳或一氧化碳混合，酿造成甲烷，然后甲烷向上涌出，穿透薄薄的冰壳，喷发到表面。
格莱因说，另一种可能性是“内核只是在缓慢烘烤”。在这种情况下，内核及其周围的富碳物质轻轻地煨煮成甲烷，直到发生类似于热点模型的喷发过程，尽管是通过更厚的冰壳和更薄的液态水层。或者，如果这些世界的内部更干燥、更温和，那么甲烷可能只是渗入到翻腾的冰层中，然后最终涓滴到表面。后两种情景被认为最适合较小的妊神星，而体积更大的阋神星的较大内核可能是容纳许多热点的更好候选者。
所有这三种模型都需要热源。潮汐加热——已知潮汐加热会为喷发提供动力，发生在木卫一和土卫二上——在这里无法援引，因为它需要阋神星和妊神星都不具备的轨道动力学。
然而，这可能不是问题。“我们最近了解到，缺乏潮汐加热的天体可以支持潜在的海洋和活跃的地质活动，”格莱因说。“冥王星是这方面的典型代表。”它们形成时遗留下来的热量以及岩石内核中衰变放射性化合物产生的热量，加上冰壳提供的一些隔热作用，可以使这两个世界保持一定的温暖。
它们假设的冰火山活动可能也与（同样是假设的）冥王星的冰火山活动没有太大不同。从裂缝中喷涌而出的闪烁的甲烷冰羽流似乎是合理的。拉德博推测，甲烷可能会喷射出来，然后像雨一样落下，凝结并冻结在表面上。也许，在某些情况下，它甚至像奇怪的、牙膏状的冰熔岩一样渗出。
这些世界是否如此活跃尚不确定。氘氢比是衡量世界年龄的有力工具，但科学家们并不完全清楚原始的原始比率是什么样的。“这是关键问题，”JWST 行星科学副项目科学家 斯蒂芬妮·米拉姆 说，她也是 2023 年 12 月研究的合著者。彗星通常被认为是古老的，但它们并非一成不变：它们的表面化学成分会因太阳和宇宙辐射以各种不确定的方式发生改变，使得任何基于氘的测年都有些猜测的成分。但是，正如这两项研究提出的那样，这两个冰冷世界内部存在热量的基本概念是合理的。
关于这两颗矮行星的发现只是即将到来的序幕。“我们还有关于冥王星和海卫一的 JWST 数据，”位于亚利桑那州弗拉格斯塔夫的洛厄尔天文台的行星科学家 威尔·格伦迪 说，他也是这两项研究的作者。最终，研究人员将尝试让更小的天体进入 JWST 的瞄准镜。
“每个世界都可能有自己的故事，”格莱因说。它们可能几十年都不会被航天器访问，但由于 JWST，这些曾经深不可测的天体正变得切实可行、可以了解的领域——而且看起来它们中的许多都不会是冰冷的行星外壳，而是充满地质生命的领域。