日本北海道大學、東京工業大學與美國加利福尼亞大學聖克魯茲分校組成的研究小組透過數值類比，一下子解開了關於冥王星的三個謎團。
冥王星是位於太陽系最邊緣的極寒冰天體，地表溫度爲零下220℃。美國國家航空太空局（NASA）的偵檢器於2015年首次抵達冥王星，發現了很多令人喫驚的現象，比如厚厚的冰層下存在海洋（地下海）、赤道地區存在被氮冰河覆蓋的巨大白色盆地、冥王星上存在氮氣等。但冥王星爲何擁有這樣的特徵？極其寒冷的冥王星的地下海爲何沒有凍結？這些都是NASA尚未查清的問題。
NASA的新視野號偵檢器透過對冥王星進行探測，在其赤道附近觀測到一片白色的心形區域，並發現其左半部分是一個巨大的盆地（圖1）。根據這一情況可以應答，冥王星的冰地殼之下存在地下海，而且在這個巨大盆地的地下，冰地殼較薄，而地下海相對較深（圖2）。因爲如果地下海不深的話，冥王星的自轉會使巨大的盆地向地極移動。不過，此前一直以爲冥王星比冰人造衛星還要冷，而且缺乏熱源，所以地下海已經完全凍結，另外此前還以爲，經過漫長的時間後，冰會像麥芽糖那樣慢慢流動，所以冰地殼上的凸凹已經平整，因此，此次發現的地下結構完全出人意料。
圖1：冥王星的「白發色中心形」區域的特徵。
圖2：本研究提出的冥王星的内部結構。冰地殼與地下海之間存在天然氣水合物層。
研究小組此次明確了以下兩點。第一，冥王星的地下海與覆蓋地下海的厚冰層之間有一層甲烷水合物。第二，甲烷水合物相當於有效的隔熱材料，防止了内部熱量的散發，因此，儘管地表極度寒冷，但地下海沒有凍結。另外，根據甲烷水合物的存在可判明，巨大盆地可以存在於赤道，同時這也能解釋冥王星上存在氮氣的特徵。
第一個類比結果顯示，如果沒有甲烷水合物，地下海在幾億年前就已完全凍結，但如果存在甲烷水合物，地下海幾乎不會凍結（圖3）。這個結果表明，甲烷水合物作爲隔熱材料有效發揮了作用，使其下的地下海長期保持溫暖，而冰地殼迅速變冷變硬，因此天體内部更加不容易變冷。
圖3：冥王星内部的熱量及結構演化類比示例。
第二個類比結果顯示，如果不存在甲烷水合物，冰地殼的厚度變得均勻所需的時間僅100萬年左右，但如果存在甲烷水合物，則需要10億年以上。這是因爲，甲烷水合物的粘性較高，而且其上的冰地殼變得又冷又硬。甲烷和一氧化碳等容易被天然氣水合物吸收，因此貯藏在地下的天然氣水合物層，基本無法釋放到地表，但氮分子不容易被天然氣水合物吸收，所以有四分之三都釋放到了地表。由於這個終極因數，地下的天然氣水合物層相當於一個僅吸附特定分子的過濾器，因此形成了看上去很不可思議的富氮地表。
這項研究成果對於思考宇宙中的液態水的存在至關重要。此前關於地下海的討論僅限於圍繞氣態巨行星旋轉的冰人造衛星。但此次的發現表明，衆多像冥王星那樣的非人造衛星類冰天體，實際上也能擁有地下海，外星生命存在的可能性進一步擴大。
相關研究論文發表在2019年5月21日（週二）公開的期刊《Nature Geoscience》的網路速報（AOP）版上。（日文發佈全文）
文：JST 客觀日本編輯部
