Вулкани Церери розтеклися після мільярда років вивержень

Американські дослідники представили нові докази того, що кріовулкани Церери вивергалися протягом останнього мільярда років, хоча в даний час розрізнити їх останки на поверхні планети практично неможливо. Для цього вчені змоделювали розтікання вулкана і порівняли результати розрахунків з картою, побудованою зондом Dawn. Крім того, вчені оцінили середню швидкість спливання речовини з надр планети, яка виявилася приблизно в десять разів нижче аналогічного показника для планет земної групи. Стаття опублікована в.

Коли говорять про вулкани, зазвичай уявляють собі потоки розпеченої лави, що прориваються з надр планети. Саме так виглядають вулкани на Землі та інших планетах з гарячим ядром (наприклад, на Марсі). Проте на деяких дуже холодних планетах можуть виникати криовулкани, які вивергають рідку або газоподібну кріолаву - воду, аміак або метан. Вперше кріовулкани були виявлені «Вояджером-2» на супутнику Нептуна Тритоне, а згодом аналогічні об'єкти були знайдені на Титані, Енцеладі, Плутоні та Церері.

Перші докази криовулканічної активності карликової планети Церери вчені знайшли у вересні 2016 року. Аналізуючи фотографію п'ятикілометрової гори Ахуна, зроблену зондом Dawn, дослідники дійшли висновку, що вона могла утворитися тільки в результаті виверження кріовулкана. Надалі цю гіпотезу підтвердив розподіл карбонатів по поверхні карликової планети, а також хімічний склад загадкових білих плям. Тим не менш, гора Ахуна виявилася єдиним кріовулканом на поверхні планети, і до того ж досить молодим - за оцінками вчених, вона утворилася не раніше, ніж 240 мільйонів років тому (а швидше за все, значно пізніше). Причини такої унікальності залишалися незрозумілими і ще більше ситуацію ускладнювало те, що поступове охолодження планети не дозволяло простежити історію її кріовулканізму далі, ніж на кілька сотень мільйонів років тому.

У січні 2017 року група вчених під керівництвом Майкла Сорі (Michael Sori) запропонувала вирішення цієї проблеми. Дослідники помітили, що вивержувана криовулканами Церери речовина не застигає назавжди, але має кінцеву в'язкість і може течи, хоча і дуже повільно. Через це купол криовулкана, який перестав вивергатися, поступово розповзається, і через кілька сотень мільйонів років розрізнити його стає дуже складно. На жаль, зібраних на той момент даних виявилося недостатньо, щоб підтвердити цю гіпотезу, хоча вона і виглядала правдоподібно. Цікаво, що роком раніше інша група вчених виявила, що краї кратерів, що залишилися на поверхні карликової планети після падіння метеоритів, також розповзаються з часом, в результаті чого великі кратери поступово затягуються.

Півтора року потому вчені повернулися до цієї гіпотези і більш ретельно проаналізували карту висот, складену зондом Dawn. В результаті дослідники виявили 32 кандидата на кріовулкани (включаючи гору Ахуна), кожен з яких мав діаметр не менше 10 кілометрів. Потім вчені виключили з цього списку 10 кандидатів, форма яких була занадто сильно зіпсована кратерами, щоб їм можна було однозначно приписати якусь висоту або діаметр. Для решти 22 об'єктів планетологи розрахували співвідношення сторін, тобто відношення площі поверхні до площі основи (для ідеального конуса радіусу і висоти це відношення дорівнює ^ (1 + (/) ²)). Гіпотеза в'язкого розтікання передбачає, що обсяг речовини в куполі кріовулкана залишається постійним, проте його висота зменшується з часом, а діаметр - збільшується. Це означає, що співвідношення сторін має зменшуватися при старінні кріовулкана. Крім того, приполярні вулкани повинні розтікатися повільніше, ніж екваторіальні: чим далі від полюса - тим вища температура речовини, а отже, тим менша її в'язкість і тим вища швидкість розтікання. Насправді, середня температура на полюсах Церери не перевищує 100 градусів Кельвіна, тоді як середня температура на екваторі приблизно в півтора рази більше. Тому вчені перевірили, як відношення сторін залишків кріовулкана залежить від його широти, і порівняли побудовану залежність з даними численних розрахунків, заснованих на рівнянні Стокса і методі кінцевих елементів (finite element method, FEM).

В результаті дослідники виявили, що експериментальні дані досить добре лягають на теоретично розраховані криві. Це підтверджує гіпотезу в'язкого розтікання. Насправді, вчені не знайшли і одного об'єкта з великим співвідношенням сторін поблизу екватора (вони всі розтеклися з часом), а співвідношення для єдиного приполярного об'єкта було порівняно велике (він і не повинен був розтікатися). Зрозуміло, ці факти не можна розглядати як однозначне підтвердження гіпотези, проте інші розглянуті вченими теорії не могли їх повністю пояснити.

Нарешті, вчені розрахували вік передбачуваних залишків криовулканів, припускаючи, що їх гіпотеза істинна. Виявилося, що найстаріший із залишків утворився приблизно 1,5 мільярда років тому. Середня швидкість закінчення кріолави (сумарний обсяг залишків, поділений на вік найстарішого з них) при цьому склала приблизно 10 тисяч кубічних метрів на рік. Якщо нормувати цей показник на площу карликової планети і порівняти його з аналогічними показниками для планет земної групи, на яких вивергаються звичайні вулкани, то виявиться, що він приблизно на порядок менше середнього. Таким чином, автори статті підсумовують, що виверження криовулканів не припинялися протягом практично всієї історії Церери, проте вплив цього процесу на вигляд карликової планети не можна порівняти з виверженнями на планетах земної групи.

Космічний апарат Dawn запустили 27 вересня 2007 року, він вийшов на орбіту Церери навесні 2015 року, а незабаром передав на Землю перші знімки карликової планети. За час своєї роботи зонд встиг побачити сезонне танення льоду і ознаки замерзлого підземного океану, знайти воду і сліди органічних речовин, скласти гравітаційну карту Церери і впритул наблизитися до її поверхні. На жаль, незабаром зонд Dawn припинить свою роботу, і збирати нові дані про Церера буде складно: минулого тижня інженери NASA повідомили, що зонду вистачить палива не більше, ніж на місяць.