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土星的第六大卫星土卫二,是一个充满矛盾的冰冷天体。以行星尺度而言,它非常微小——整个卫星可以舒适地容纳在美国新墨西哥州的边界内——然而它却表现出通常为太阳系中大型天体保留的地质活动水平。
从土卫二的南极喷发出类似间歇泉的喷流,水柱从被异常温暖的裂缝(被称为“虎纹”)分割的区域向外喷射。但无论如何,这颗卫星通过这个地质活动活跃的区域损失的能量远远超过了它所能承受的。澳大利亚麦考瑞大学的行星科学家克雷格·奥尼尔说,这种差异是“土卫二的突出问题,就像拇指上的疮疤一样显眼”。
在周日在线发表于《自然-地球科学》上的一篇论文中,奥尼尔和加州大学圣克鲁兹分校的行星科学家弗朗西斯·尼莫提出了一个模型,以解决土卫二热量产生和热量损失之间的差异。奥尼尔和尼莫表示,土卫二南极的极端热量损失可以用一个模型来解释,该模型认为,现在土卫二上可见的地质喷发大约每十亿年才发生一次。(《大众科学》是自然出版集团的一部分。)
当土卫二绕土星运行时,这颗巨大行星的引力会使这颗冰冷的卫星弯曲,从而在卫星上产生潮汐热。“由于土卫二的轨道不是完全圆形的,当它绕土星运行时,它会时而靠近土星,时而远离土星,因此它感受到的引力也在略微变化,”尼莫解释说。“它正在被挤压和拉伸,挤压和拉伸。就像你手里拿着一个橡皮球一样,如果你挤压和拉伸,挤压和拉伸,它就会升温。” 尼莫说,土卫二热量来源的其他贡献者,例如卫星核心中的放射性衰变,似乎是相对次要的因素。
但是,潮汐加热机制必须比现在强大数倍,才能产生土卫二从其南极区域释放出的热量。除非,正如奥尼尔和尼莫提出的那样,我们现在在土卫二上看到的只是一种有些异常的行为——短暂的构造活动,重新覆盖了卫星的有限区域。在新模型中,“实际发生的情况是,热量在数十亿年间被积聚在内部,”奥尼尔说。“它正在累积到一个临界水平,然后以一次大的活动脉冲释放出来。”
这种活动脉冲只会持续约一千万年,奥尼尔将其描述为“地质学上眨眼一瞬间”。换句话说,数百万年后的天文学家在观察土卫二时,可能会看到一个平静得多的表面。但是,如果这种周期性的构造行为在整个太阳系中具有部分再表面迹象的冰卫星中是普遍存在的,那么未来的天文学家可能会在其他目前处于休眠状态的卫星上看到喷发。
斯坦福大学地球物理学教授诺姆·斯利普称该提案是一个“极好的开端”,具有成功模型所需的特性。戴夫·斯特格曼是加利福尼亚州拉霍亚斯克里普斯海洋研究所的地球物理学家,他说“该模型的某些方面似乎可以解释以前未解决的一些谜团般的观测结果。” 同时,斯特格曼说,间歇性构造活动出现在“极其狭窄的窗口”参数中,因此观察未来更精细的模型是否会支持该提案将是一件有趣的事情。
尼莫承认,“我们的模型并没有真正涉及细节;我们模型所做的只是说,从表面这一部分区域散发出的热量大致是我们看到的,也大致是我们的模型给出的。” 试图将虎纹等特定地质特征与间歇性构造活动的预测相匹配,将是检验该模型可行性的重要一步。“我认为下一步将是‘放大’,”尼莫说,“并尝试看看该模型产生的行为是否与地表的地质特征相关。”