作為太陽系小行星帶里的“大個(gè)子”，直徑為940公里的矮行星——谷神星一直備受關(guān)注。它是美國“黎明”號(hào)探測器的主要觀測對(duì)象之一。

據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)報(bào)道，一個(gè)國際研究小組通過分析“黎明”號(hào)獲取的引力場等數(shù)據(jù)，認(rèn)為谷神星表面一座圓頂形狀的山由泥漿——混合了鹽水和固體顆粒的物質(zhì)組成。該項(xiàng)研究近日在線發(fā)表在《自然·地球科學(xué)》的官網(wǎng)上。

行星引力場是研究行星內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重要窗口。如何探測行星引力場?引力場數(shù)據(jù)里，藏著哪些關(guān)于行星內(nèi)部結(jié)構(gòu)和成分的秘密?科技日?qǐng)?bào)記者就此采訪了相關(guān)專家。

如何探測行星引力場

2007年升空的“黎明”號(hào)，主要研究火星和木星之間小行星帶中的兩個(gè)較大目標(biāo)——灶神星和谷神星。2011年7月到2012年9月，“黎明”號(hào)圍繞灶神星考察，然后啟程前往谷神星，于2015年3月到達(dá)目的地。

自2015年初傳回截至當(dāng)時(shí)最為清晰的谷神星“靚照”開始，“黎明”號(hào)一直在辛勤地工作，傳回各種數(shù)據(jù)。通過對(duì)光譜、引力場等數(shù)據(jù)的研究分析，科學(xué)家們對(duì)谷神星的認(rèn)識(shí)不斷豐富。

為了更好地解釋關(guān)于引力場的基本概念，中國科學(xué)院國家天文臺(tái)研究員平勁松打了個(gè)比方，如果把要探測的天體當(dāng)作一個(gè)質(zhì)量點(diǎn)看待時(shí)，圍繞它飛行的衛(wèi)星所運(yùn)行的軌道應(yīng)該是一個(gè)圓錐曲線，即橢圓或者拋物線等。

然而，中心引力體并不是一個(gè)點(diǎn)，是由物質(zhì)組成的球體。如果這個(gè)球體是一個(gè)正球體，那么它對(duì)衛(wèi)星運(yùn)行軌道的擾動(dòng)可以忽略不計(jì)。

但通常情況下，行星一般不是正球體，而是橢球體，比如旋轉(zhuǎn)橢球體、三軸橢球體等。因此，行星的引力在空間的分布是不均勻的。衛(wèi)星飛過時(shí)候，不均勻的引力場就會(huì)對(duì)衛(wèi)星運(yùn)行的軌道產(chǎn)生擾動(dòng)。

“那么，通過分析衛(wèi)星軌道的變化，可以去重建行星的引力特征。”平勁松介紹，影響引力特征分布的主要有兩個(gè)因素，即物質(zhì)的形狀和密度。

一方面，同樣的物質(zhì)組成，內(nèi)部形狀不一樣，產(chǎn)生的引力特征不一樣。另一方面，如果物質(zhì)形狀是均勻的，但內(nèi)部的密度不一樣，在空間表達(dá)的引力場也是不均勻的。

引力場特征能說明啥

既然形狀和密度會(huì)影響行星引力場的分布。反過來，通過獲得行星引力場在外部空間分布的不均勻性后，可以反推其表面及內(nèi)部物質(zhì)的形狀結(jié)構(gòu)和密度。

在太陽系里，由小的球粒隕石類物質(zhì)堆積而成的固體巖石類天體，它們的物質(zhì)成分比較均勻，密度約為3克/立方厘米。而在地球、火星等行星形成的過程中，由于急劇升溫，巖石中的鐵和鎳這些比較重的物質(zhì)會(huì)流到星體的中間部分，形成核或下部的幔。

鐵的密度是7.8克/立方厘米，因此物質(zhì)流動(dòng)后，行星表面巖石的密度就變成2.3—2.7克/立方厘米，行星幔部分還會(huì)留有一部分鐵，那里的密度大概為5克/立方厘米。

“在太空中，如果發(fā)現(xiàn)某一個(gè)物體的密度低于2.3克/立方厘米，可以推斷它里面肯定有揮發(fā)性的物質(zhì)，主要是水。”平勁松指出，水的密度較低，綜合在一起，就會(huì)拉低物質(zhì)的密度。

本文開頭提到的國際研究小組綜合“黎明”號(hào)獲取的引力場等數(shù)據(jù)，計(jì)算出谷神星表面一座名為阿胡那山(Ahuna Mons)的物質(zhì)密度在2.1克/立方厘米左右。“由此不難推斷，組成阿胡那山的物質(zhì)里有水冰的存在。”平勁松分析道。

事實(shí)上，弄清谷神星是一顆純巖石類行星，還是其他類型的行星，是對(duì)其進(jìn)行探測的主要任務(wù)之一。平勁松認(rèn)為，在從地面上看起來像是巖石類行星的谷神星的表面和深部發(fā)現(xiàn)了大量水，意味著在太陽系內(nèi)其他的行星或彗星上也可能廣泛地存在水，這對(duì)于研究生命起源的環(huán)境有著重要意義。(唐 婷)