Ряд исследований предполагает, что Плутон и другие крупные объекты пояса Койпера могли образоваться уже с «готовыми» океанами.
Энергии при их формировании могло быть достаточно для плавления льда и превращения его в сверхглубокий океан под поверхностью. Этот океан просуществовал до наших дней, постепенно замерзая и вызывая видимые на снимках Плутона разломы.
Статья группы из Университета Калифорнии, Санта Круз, опубликованная в конце июня в Nature Geosciences, описывает такой «горячий сценарий» формирования карликовых планет. Моделирование показывает, что при аккреции космического материала во время образовании Плутона выделилось достаточно энергии для образования подповерхностного океана на ранних этапах формирования планеты.
Представленный сценарий «горячего старта» противоречит устоявшимся взглядам на происхождение Плутона и подобных карликовых планет в поясе Койпера путём аккреции льда и твёрдых пород, и возможного их последующего разогрева за счёт распада радиоактивных элементов («механизм холодного старта»). Формирование космических тел с размерами Плутона по такому механизму должно было занять сотни миллионов лет. Эти тела могут содержать разные виды льда, включая водяной (N2, CO, CH4 и H2O), но существование на них жидкой фазы при «холодном» старте объяснить сложнее.
Жидкость в устойчивом состоянии есть на поверхности единственного, кроме Земли, тела Солнечной системы — спутнике Сатурна Титане. При температуре −180° C на Титане вместо воды в жидкой фазе находится метан CH4. В сочетании с атмосферой из азота он обеспечивает гидрологический цикл — метановые облака, водоёмы и дожди, образуя формы рельефа, аналогичные земным. На других телах Солнечной системы жидкость, и даже водяной лёд на поверхности неустойчивы, но вода может сохраняться под поверхностью под защитой слоя реголита, как на Марсе или Луне. А на отдалённых телах Солнечной системы, за «снежной границей», говорят о возможности сохранения воды под защитным слоем льда.
Достаточно уверенно подтверждено существование подлёдных океанов на спутнике Юпитера Европе и спутнике Сатурна Энцеладе. Энергию для их существования может давать приливное взаимодействие с планетами-гигантами — оно же приводит к активному вулканизму на их спутниках.
О возможном существовании на Плутоне жидкого океана под толстым слоем льда говорили и раньше. Но Плутон находится слишком далеко от Солнца, и не является ничьим спутником. Поэтому источниками энергии, из известных нам, могут быть или радиоактивный распад, или освобождение гравитационной энергии при аккреции (формирования космического тела путём «слипания» космических тел небольших размеров).
Эта гипотеза получила первые инструментальные подтверждения в 2015 году, по результатам съёмок поверхности Плутона аппаратом NASA New Horizons, предназначенным для облёта и подробного фотографирования Плутона и его спутника Харона и исследования других объектов пояса Койпера — области Солнечной системы за орбитой Нептуна, в которой находится множество астероидов и карликовых планет вроде Плутона и Седны.
Взрывной рост исследований Плутона начался с 2015—2016 годов, когда корабль «Новые Горизонты», запущенный в 2006 году, наконец долетел до него и передал на Землю массив данных спектроскопии и съёмки в различных длинах волн. Это неудивительно: достаточно сравнить комбинированный снимок «Хаббла» 2002—2003 года — самую подробную «карту» Плутона до 2015 года — и хотя бы обзорную панораму New Horizons. В статье 2016 года в Science опубликован первый подробный обзор геологии Плутона и Харона по свежим данным, полученным New Horizons.
Исследователей привлекла крупная низменность возле экватора, названная Sputnik Planum, или Sputnik Planitia («Спутник Планиция») размером около 1000 км, без ударных кратеров, а значит, с молодым рельефом, который скрыл древние следы импактных структур. Она покрыта сетью разломов и сложена свежим льдом с высокой отражающей способностью. На снимках она выглядит как большое светлое пятно. Вероятно, это крупный ударный кратер. Поверхность в низине быстро залечивается за счёт подтаивания льда и поступления снизу свежего материала — так же, как это происходит на Энцеладе (более подробно можно посмотреть соответствующий раздел в статье). Поэтому следы существования океана обычно ищут здесь или поблизости, в разломах окрестных «гор».
Например, в работе 2019 года сообщается об обнаружении аммиака NH3 в спектроскопических снимках Плутона, переданных New Horizons. Следы аммиака вместе в водяном льде были обнаружены вблизи крупного разлома под названием Virgil Fossae, указывающего на тектоническую активность в этом районе. Поскольку аммиак легко разлагается под действием ультрафиолета и космических лучей даже на Плутоне, он должен был образоваться на поверхности недавно, и предположительно — в результате деятельности криовулканов, выбрасывающих насыщенную аммиаком воду из глубины планеты сквозь разломы. Кроме того, аммиак — естественный антифриз: он понижает температуру замерзания воды, и это расширяет диапазон существования жидкой фазы (о жидкой воде на поверхности планеты с температурой -230° C, конечно, речь не идёт).
Вода при замерзании расширяется, в отличие от большинства известных веществ. Это один из ключевых механизмов разрушения горных пород на Земле из-за морозного выветривания: вода в микротрещинах породы при сезонном замерзании и оттаивании будет расширять трещины, в конечном итоге раскалывая камни. Если после формировании планеты под её поверхностью остаётся относительно тёплый океан, то при постепенном замерзании он будет приводить к разломам (трещинам отрыва) на поверхности за счёт увеличения объёма воды. Такие разломные структуры в изобилии наблюдаются на Плутоне и Хароне. Наоборот, если океан образуется впоследствии путём таяния льда, например, из-за радиоактивного тепла, то объём воды в океане под поверхностью должен уменьшаться — на поверхности должны образоваться соответствующие нарушения, отличные от трещин отрыва. Исследователи обратили внимание на то, что противоположных структур сжатия почти не наблюдается даже на самых древних участках поверхности планеты. Это не исключает, что такие структуры впоследствии были скрыты геологическим развитием, поэтому одного такого наблюдения ещё недостаточно для утверждения гипотезы «горячей» планеты.
Исследователи выполнили оценку баланса энергии при образовании Плутона. Если бы вся выделившаяся при аккреции гравитационная энергия осталась внутри планеты, то этого тепла бы хватило для образования жидкого океана на самом раннем этапе. Однако значительная часть этой энергии должна была рассеяться в виде теплового излучения. Доля излучённой энергии зависит от времени, которое ушло на окончательное формирование планеты. Для ответа на этот вопрос недостаточно данных, поэтому можно только оценить потери энергии на излучение в разных сценариях (быстрое или медленное формирование).
В целом расчёты предлагают такую дилемму. Если Плутон сформировался быстро, за время меньше 30 тысяч лет, он мог образоваться по «горячему» сценарию. Если же аккреция продолжалась несколько десятков или сотен миллионов лет, как обычно предполагали, то разогретый материал вблизи поверхности успел бы остыть и ни для какого океана бы тепла не хватило. В этом случае — «холодный старт». Здесь тоже возможен вариант с ранним формированием океана: для этого на планету должны были падать очень крупные метеориты, передавая значительную энергию сразу на большую глубину.
Исходя из этих результатов можно предположить, что и другие крупные тела пояса Койпера также могли сформироваться по «горячему» механизму и иметь свои понемногу остывающие океаны. В самых крупных из таких объектов океаны могли сохраниться и до сих пор. Такими кандидатами, например, выступают карликовые планеты пояса Койпера Эрис и Макемаке. Это позволяет астробиологам включить такие экзотические объекты в сферу поисков жизни за пределами Земли.
Подготовка материала: Сергей Шапиро