日美学者解开冰冷冥王星的地下海未冻结之谜

日本北海道大学、东京工业大学与美国加利福尼亚大学圣克鲁兹分校组成的研究小组通过数值模拟，一下子解开了关于冥王星的三个谜团。

冥王星是位于太阳系最边缘的极寒冰天体，地表温度为零下220℃。美国国家航空航天局（NASA）的探测器于2015年首次抵达冥王星，发现了很多令人吃惊的现象，比如厚厚的冰层下存在海洋（地下海）、赤道地区存在被氮冰川覆盖的巨大白色盆地、冥王星上存在氮气等。但冥王星为何拥有这样的特征？极其寒冷的冥王星的地下海为何没有冻结？这些都是NASA尚未查清的问题。

NASA的新视野号探测器通过对冥王星进行探测，在其赤道附近观测到一片白色的心形区域，并发现其左半部分是一个巨大的盆地（图1）。根据这一情况可以确认，冥王星的冰地壳之下存在地下海，而且在这个巨大盆地的地下，冰地壳较薄，而地下海相对较深（图2）。因为如果地下海不深的话，冥王星的自转会使巨大的盆地向地极移动。不过，此前一直以为冥王星比冰卫星还要冷，而且缺乏热源，所以地下海已经完全冻结，另外此前还以为，经过漫长的时间后，冰会像麦芽糖那样慢慢流动，所以冰地壳上的凸凹已经平整，因此，此次发现的地下结构完全出人意料。

图1：冥王星的“白色心形”区域的特征。

图2：本研究提出的冥王星的内部结构。冰地壳与地下海之间存在天然气水合物层。

研究小组此次明确了以下两点。第一，冥王星的地下海与覆盖地下海的厚冰层之间有一层甲烷水合物。第二，甲烷水合物相当于有效的隔热材料，防止了内部热量的散发，因此，尽管地表极度寒冷，但地下海没有冻结。另外，根据甲烷水合物的存在可判明，巨大盆地可以存在于赤道，同时这也能解释冥王星上存在氮气的特征。

第一个模拟结果显示，如果没有甲烷水合物，地下海在几亿年前就已完全冻结，但如果存在甲烷水合物，地下海几乎不会冻结（图3）。这个结果表明，甲烷水合物作为隔热材料有效发挥了作用，使其下的地下海长期保持温暖，而冰地壳迅速变冷变硬，因此天体内部更加不容易变冷。

图3：冥王星内部的热量及结构演化模拟示例。

第二个模拟结果显示，如果不存在甲烷水合物，冰地壳的厚度变得均匀所需的时间仅100万年左右，但如果存在甲烷水合物，则需要10亿年以上。这是因为，甲烷水合物的粘性较高，而且其上的冰地壳变得又冷又硬。甲烷和一氧化碳等容易被天然气水合物吸收，因此储藏在地下的天然气水合物层，基本无法释放到地表，但氮分子不容易被天然气水合物吸收，所以有四分之三都释放到了地表。由于这个原因，地下的天然气水合物层相当于一个仅吸附特定分子的过滤器，因此形成了看上去很不可思议的富氮地表。

这项研究成果对于思考宇宙中的液态水的存在至关重要。此前关于地下海的讨论仅限于围绕气态巨行星旋转的冰卫星。但此次的发现表明，众多像冥王星那样的非卫星类冰天体，实际上也能拥有地下海，外星生命存在的可能性进一步扩大。

相关研究论文发表在2019年5月21日（周二）公开的期刊《Nature Geoscience》的网络速报（AOP）版上。（日文发布全文）