柯伊伯带天体内部结构

柯伊伯带天体内部结构是指海王星轨道之外、由冰和岩石组成的小型天体内部的层次化构造。其结构主要由天体形成时的初始成分、后续的放射性衰变和引力压缩等过程决定。

1. 基础组成与分化前提

   • 柯伊伯带天体主要由冰（水冰、甲烷冰、氨冰）和硅酸盐岩石混合组成，形成于太阳系早期的低温区域。
   • 内部结构分化的首要条件是内部热源。热源主要来自两个方面：
     • 短寿命放射性同位素（如铝-26）的衰变：这在大型柯伊伯带天体形成初期提供了显著热量。
     • 引力势能的释放：在天体通过吸积作用生长时，撞击物质的动能转化为热能。
   • 只有当内部温度升高到足以使冰软化或熔化（例如，水冰的熔点约在273K，但在高压和掺入氨等抗冻剂后熔点可显著降低）时，较重的岩石物质才能在重力作用下与较轻的冰分离，启动分化过程。

2. 未分化结构

   • 对于质量较小（直径通常小于约400-500公里）或形成较晚（错过了短寿命放射性同位素产热期）的柯伊伯带天体，其内部热量不足以引发大规模分异。
   • 这类天体保持着原始的、未分层的“碎石堆”结构。其内部是冰和岩石碎块的随机混合物，孔隙度可能较高，结构相对均匀，没有明显的核、幔、壳分层。

3. 部分分化结构

   • 对于中等大小（直径约500至1000公里）或内部产热适中的柯伊伯带天体，热量可能足以使最易熔的冰成分（例如含有氨的水冰混合物）发生局部熔化或强烈软化，但不足以使所有冰类物质完全熔融，或不足以使岩石完全沉降。
   • 其结构可能表现为：一个由岩石和难熔冰（如甲烷冰）混合组成的多孔核心，外部包裹着一层相对富冰的幔层。这层幔可能由再结晶的冰或经历过塑性流动的冰构成。最外层则是未受明显热改变的原始冰质表层。

4. 完全分化结构

   • 对于大型柯伊伯带天体（直径超过约1000公里，如冥王星、阋神星等），其内部热量足以维持长时间的高温，导致冰和岩石发生完全分离。
   • 其内部形成清晰的层状结构：
     • 岩石核心：最中心是由硅酸盐岩石和可能存在的金属组成的致密固态核心。放射性元素（如钾-40、钍-232、铀-238）的长期衰变是其持续的内部热源之一。
     • 冰幔：包裹在岩石核心之外，主要由水冰构成，可能含有其他挥发性冰（如甲烷、氨）作为杂质。在高温高压下，水冰可能形成特殊的高压冰相（如冰II、冰V、冰VI）。
     • 地表壳层：最外层是各种冰（水冰、氮冰、甲烷冰、一氧化碳冰等）的混合物。这层壳的化学成分和物理状态受表面温度、太阳辐射和地质活动（如冰火山或构造活动）的影响而不断变化。

5. 内部海洋存在的可能性

   • 在某些大型柯伊伯带天体的冰幔中，可能存在着一个夹在高压冰幔下层和地表冰壳之间的地下液态水海洋。
   • 维持液态海洋的热量来源包括：
     • 岩石核心中长寿命放射性同位素的持续衰变热。
     • 冰的相变（例如，从无定形冰结晶为晶体冰会释放热量）。
     • 潮汐加热（特别是在处于轨道共振系统中的天体内部，如冥王星-卡戎系统）。
   • 这种海洋的存在会显著影响天体的地质活动、磁场生成潜力以及宜居性潜力。