Вулканы Цереры растеклись после миллиарда лет извержений

M. Sori et al. / Nature

Американские исследователи представили новые доказательства того, что криовулканы Цереры извергались в течение последнего миллиарда лет, хотя в настоящее время различить их останки на поверхности планеты практически невозможно. Для этого ученые смоделировали растекание вулкана и сравнили результаты расчетов с картой, построенной зондом Dawn. Кроме того, ученые оценили среднюю скорость истекания вещества из недр планеты, которая оказалась примерно в десять раз ниже аналогичного показателя для планет земной группы. Статья опубликована в Nature.

Когда говорят о вулканах, обычно представляют себе потоки раскаленной лавы, прорывающиеся из недр планеты. Именно так выглядят вулканы на Земле и других планетах с горячим ядром (например, на Марсе). Тем не менее, на некоторых очень холодных планетах могут возникать криовулканы, которые извергают жидкую или газообразную криолаву — воду, аммиак или метан. Впервые криовулканы были обнаружены «Вояджером-2» на спутнике Нептуна Тритоне, а впоследствии аналогичные объекты были найдены на Титане, Энцеладе, Плутоне и Церере.

Первые доказательства криовулканической активности карликовой планеты Цереры ученые нашли в сентябре 2016 года. Анализируя фотографию пятикилометровой горы Ахуна, сделанную зондом Dawn, исследователи пришли к выводу, что она могла образоваться только в результате извержения криовулкана. В дальнейшем эту гипотезу подтвердило распределение карбонатов по поверхности карликовой планеты, а также химический состав загадочных белых пятен. Тем не менее, гора Ахуна оказалась единственным криовулканом на поверхности планеты, и к тому же довольно молодым — по оценкам ученых, она образовалась не раньше, чем 240 миллионов лет назад (а скорее всего, значительно позже). Причины такой уникальности оставались непонятными и еще больше ситуацию осложняло то, что постепенное охлаждение планеты не позволяло проследить историю ее криовулканизма дальше, чем на несколько сотен миллионов лет назад.

В январе 2017 группа ученых под руководством Майкла Сори (Michael Sori) предложила решение этой проблемы. Исследователи заметили, что извергаемое криовулканами Цереры вещество не застывает навсегда, но имеет конечную вязкость и может течь, хотя и очень медленно. Из-за этого купол криовулкана, который перестал извергаться, постепенно расползается, и через несколько сотен миллионов лет различить его становится очень сложно. К сожалению, собранных на тот момент данных оказалось недостаточно, чтобы подтвердить эту гипотезу, хотя она и выглядела правдоподобно. Интересно, что годом раньше другая группа ученых обнаружила, что края кратеров, оставшихся на поверхности карликовой планеты после падения метеоритов, также расползаются со временем, в результате чего большие кратеры постепенно затягиваются.

Полтора года спустя ученые вернулись к этой гипотезе и более тщательно проанализировали карту высот, составленную зондом Dawn. В результате исследователи обнаружили 32 кандидата на криовулканы (включая гору Ахуна), каждый из которых имел диаметр не менее 10 километров. Затем ученые исключили из этого списка 10 кандидатов, форма которых была слишком сильно испорчена кратерами, чтобы им можно было однозначно приписать какую-то высоту или диаметр. Для оставшихся 22 объектов планетологи рассчитали соотношение сторон, то есть отношение площади поверхности к площади основания (для идеального конуса радиуса R и высоты H это отношение равно √(1 + (H/R)2)). Гипотеза вязкого растекания предполагает, что объем вещества в куполе криовулкана остается постоянным, однако его высота уменьшается со временем, а диаметр — увеличивается. Это значит, что соотношение сторон должно уменьшаться при старении криовулкана. Кроме того, приполярные вулканы должны растекаться медленнее, чем экваториальные: чем дальше от полюса — тем выше температура вещества, а следовательно, тем меньше его вязкость и тем выше скорость растекания. В самом деле, средняя температура на полюсах Цереры не превышает 100 градусов Кельвина, тогда как средняя температура на экваторе примерно в полтора раза больше. Поэтому ученые проверили, как отношение сторон остатков криовулкана зависит от его широты, и сравнили построенную зависимость с данными численных расчетов, основанных на уравнении Стокса и методе конечных элементов (finite element method, FEM).


В результате исследователи обнаружили, что экспериментальные данные довольно хорошо ложатся на теоретически рассчитанные кривые. Это подтверждает гипотезу вязкого растекания. В самом деле, ученые не нашли и одного объекта с большим соотношением сторон вблизи экватора (они все растеклись со временем), а соотношение для единственного приполярного объекта было сравнительно велико (он и не должен был растекаться). Разумеется, эти факты нельзя рассматривать как однозначное подтверждение гипотезы, однако другие рассмотренные учеными теории не могли их полностью объяснить.


Наконец, ученые рассчитали возраст предполагаемых остатков криовулканов, предполагая, что их гипотеза истинна. Оказалось, что самый старый из остатков образовался примерно 1,5 миллиарда лет назад. Средняя скорость истечения криолавы (суммарный объем остатков, деленный на возраст самого старого из них) при этом составила примерно 10 тысяч кубических метров в год. Если нормировать этот показатель на площадь карликовой планеты и сравнить его с аналогичными показателями для планет земной группы, на которых извергаются обычные вулканы, то окажется, что он примерно на порядок меньше среднего. Таким образом, авторы статьи заключают, что извержения криовулканов не прекращались на протяжении практически всей истории Цереры, однако воздействие этого процесса на облик карликовой планеты нельзя сравнить с извержениями на планетах земной группы.

Космический аппарат Dawn был запущен 27 сентября 2007 года и вышел на орбиту Цереры весной 2015, а в скором времени передал на Землю первые снимки карликовой планеты. За время своей работы зонд успел увидеть сезонное таяние льда и признаки замерзшего подземного океана, найти воду и следы органических веществ, составить гравитационную карту Цереры и вплотную приблизиться к ее поверхности. К сожалению, в скором времени зонд Dawn прекратит свою работу, и собирать новые данные о Церере будет сложно: на прошлой неделе инженеры NASA сообщили, что зонду хватит топлива не больше, чем на месяц.

Дмитрий Трунин

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.