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羅賽塔號觀測到67P彗星沉洞發生噴發

正在環繞67P/丘留莫夫-格拉西緬科彗星〈Churyumov–Gerasimenko〉的羅賽塔號(Rosetta)太空船發現67P表面有許多塵埃噴流是一些活躍的窪坑(pit)噴出的,而這些凹陷處又極可能是突然塌陷的沉洞(sinkhole,或稱滲穴或陷孔、陷坑等)造成的。

羅賽塔號太空船已經環繞67P彗星一年多了,長期監測當彗星靠近太陽時,其表面與周圍的氣體塵埃暈狀結構的變化。在距離彗星幾百公里時,羅賽塔號就已經觀測到許多從彗核噴出的塵埃噴流,有著非常複雜的型態;而從去年開始,羅賽塔號上的歐西里斯〈OSIRIS〉相機以距離彗核中心僅約10-30公里的近距離進行高解析攝影,科學家們從其中一些影像發現這些塵埃噴流能追溯至彗表某些特定位置。這是彗星專家們首度看到這樣的景象。

在最新報告中,普朗克太陽系研究所(Max Planck Institute for Solar System Research)科學家尚-巴蒂斯特‧文森〈Jean-Baptiste Vincent〉等人列出彗核北半球上18個近乎圓形的窪坑,其中幾處是持續性活動源。這些窪坑的直徑約在數十到數百公尺左右,深度約從塵埃覆蓋的表層可至彗表以下210公尺左右。絕大多數活躍窪坑都可見有物質從窪坑內牆的破裂帶噴出。這些破裂帶的存在,意味著原本被困在彗表下的揮發性物質能更容易被加熱後逃逸至太空中。

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67P彗星上活耀窪坑。source:esa

這些科學家分析這些影像後,認為這些窪坑其實是地下洞穴的頂篷變得太薄,以致於無法支撐己身重量而塌陷成所謂的沉洞,類似地球各地因地下水或其他原因造成的「天坑」。這個過程使彗星內部突然暴露在外,讓原本掩藏在地表下的物質昇華噴出;而這個噴出過程又會導致窪坑持續被侵蝕磨損。不過,窪坑塌陷雖然很突然,但其實下方的地下洞穴是原本就存在於充滿孔隙的彗表下,只是隨著時間而讓這些孔隙逐漸擴大,這才造就了這些地下洞穴。

文森等人推測可能有三種方式形成這些地下洞穴:

第一種可能:這些地下洞穴自彗星形成時就存在,當時形成彗星的原始物質團塊的直徑約數十道數百公尺大小,它們以非常低的速度彼此接近、互撞而沾黏在一起,所以會有許多孔隙;之後可能受到物質昇華的衝擊,或是地震搖晃,或是彗星其他地方噴出的礫石撞擊等作用,促使這些地下洞穴的頂端塌陷。

第二種可能:因陽光照射並穿透彗表塵埃層,使彗表下的二氧化碳或一氧化碳等易揮發的固態冰被加熱而直接昇華,造成這些孔穴。

第三種可能:水冰的物理狀態,從無定形的非晶狀態轉變成結晶狀態,在此過程中所釋出的能量,將導致比水冰更易揮發的二氧化碳和一氧化碳等固態冰昇華。

無論後兩者的哪一個是地下洞穴造成的原因,都意味著:既然窪坑並不是整個彗表到處可見,顯示彗星內部的固態冰並不是均勻分布的。又,無論是上述哪一種過程造成了地下洞穴,這些洞穴特徵都顯示出:從彗表以下數百公尺身之處的結構,或甚至是組成成分都與彗表處截然不同,因為在地下洞穴被顯露出來之前,此處物質變幾乎沒機會改變過。

這些天文學家表示:每個窪坑的壁上所露出的內部特徵相差甚大,這些特徵包含裂隙物質、階地、水平地層、垂直條紋,或有的窪坑內還擁有暱稱為「雞皮疙瘩(goosebump)」的球狀結構。文森等人認為或許可以利用這些窪坑特徵來求取彗星表面的相對年齡,因為如同月表隕坑一樣,若彗表某地區的窪坑數量愈多,則表示這塊區域的地質年齡愈年輕,這塊彗表經歷過的變動也愈少。

這個概念最近在67P彗星南半球上也獲得觀測確認:南半球是高度變動過的地質,因為它接收到的能量明顯比北半球多,南半球表面的窪坑也與北半球的不同。

活躍窪坑的邊坡特別陡峭,沈寂窪坑則雖顯得比較淺平,但可能是過去很活躍的區域。文森等人指出:活躍窪坑是最年輕的;中等年齡的窪坑在其坑底有從邊坡滑落的礫石;最老的窪坑邊緣已經幾乎弭平,坑內填滿沙土。這個時間序列的演化概念還得得經由後續觀測予以證明究竟否正確。

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彗星上的活躍窪坑。source:esa

67P彗表上的窪坑大多數可能在好幾次回歸之前就已出現,否則的話最近這次回歸時,應該會看到大量因塌縮引起的爆發才對。羅賽塔號的確曾在2014年4月接近彗星時觀測一次爆發,該次爆發預估噴出約1000~100000公斤的物質。雖然文森等人已經指出爆發是由窪坑塌陷引起的,但事實上一個典型窪坑發生爆發時所噴出的物質量並沒有想像中的多。

例如:假設測量到的彗星密度是每立方公尺470公斤,則寬約140公尺、深約140公尺這樣典型的大型窪坑,快速噴發釋出的物質總重量約為10億公斤左右,比在2014年4月觀測到的多了好幾個量級。

羅賽塔號計畫科學家們對於活躍窪坑如何演化非常感興趣,甚至或許在羅賽塔號仍環繞67P進行觀測期間,目睹新窪坑的形成。事實上,只要是彗星上的任何變動,特別是與彗表特徵活動有關連者,都能引起這些科學家興趣,因為這些都是能進一步瞭解彗星自形成之後迄今,其內部與表面曾如何演化的關鍵證據。羅賽塔號將於2016年9月終止延伸任務,在此期間必定還有更多機會能揭露更多彗星的秘密。

資料來源:COMET SINKHOLES GENERATE JETS  esa [2015.07.01, KLC]

本文轉載自網路天文館

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