Forklaring af gletsjere af fast metan og nitrogen på Pluto

Planetforskeren Dr. Helen Maynard-Casely og medarbejdere har for første gang rapporteret, hvordan fast metan og nitrogen udvider sig som reaktion på temperaturændringer og har løst en historisk tvetydighed i forhold til nitrogens struktur.

Undersøgelsen var inspireret af New Horizons mission, som på sin forbiflyvning af Pluto for fem år siden, opdagede gletsjere af fast metan og nitrogen på dværgplanetens overflade.

I forskning offentliggjort i IUCrJ-tidsskriftet, de gav også bevis for uventede ændringer i orienteringen af ​​kornene af det faste metan og nitrogen ved opvarmning, hvilket tydede på, at kornene kunne vokse.

Pluto, som vippes til 120 grader på sin akse, oplever sæsonbestemte temperaturvariationer fra mellem 24 til 54 Kelvin (-250 til -220 Celsius) på sin 248 år lange rejse rundt om solen.

"Det faktum, at metan- og nitrogenmolekyler kan flyde ved så ekstremt lave temperaturer, har at gøre med, hvordan metan- og nitrogenmolekylerne er arrangeret i deres krystalstrukturer, Derfor kan krystallografi muligvis besvare spørgsmål om disse usædvanlige landskaber, sagde Maynard-Casely.

"I de varmere årstider af Pluto, stadig omkring -220 C, både metan- og nitrogenmolekylerne roterer frit i de faste stoffer - molekylerne er ikke bundet særlig godt sammen, " hun sagde.

"Undersøgelser af de mekaniske egenskaber af disse materialer og meget lave temperaturer er virkelig udfordrende, så der mangler brugbar information om de usædvanlige forhold på de ydre planetariske legemer."

Maynard-Casely, der studerer overfladerne på de ydre iskolde planeter og deres måner, genskaber disse forhold ved hjælp af Wombat højintensitetsdiffraktometeret og kryogene ovne. Hun foretog den termiske ekspansionsundersøgelse af metan og nitrogen, da det ikke var blevet gjort tidligere.

Ændringer i tætheden af ​​begge molekyler menes at være nyttige til at forklare Plutos glaciologi.

Hvad der forventedes at være en ligetil krystallografisk undersøgelse af den termiske udvidelse ved en række temperaturer, havde nogle uventede resultater.

"Nitrogen har faktisk to krystalstrukturer i det temperaturområde, der ses på Pluto, og jeg var overrasket over, at den mest accepterede model for alfaformen med lavere temperatur ikke passede til vores data. Det viste sig, at dette er et emne, der aldrig er blevet løst siden 1970'erne, selvom den mest citerede model af enhedscellen er den kubiske fire molekylers asymmetriske P213 rumgruppe, sagde Maynard-Casely.

Data blev indsamlet om Wombat på en yderligere prøve, derefter fem forskellige mulige strukturer blev testet igen dette.

"Dataene passer til Pa3̅ rumgruppen, hvori molekylets centrum ligger ved krystalstrukturens oprindelse. Det er vigtigt, fordi rumgruppen påvirker de fysiske egenskaber."

I den alternative model er nitrogenatomerne forskudt fra oprindelsen.

"En struktur i P213 rumgruppen kunne være pyroelektrisk, hvilket betyder, at der kan frigives energi, når du varmer den op. Dette ville være relevant for glaciologi, men Wombat-dataene tyder på, at dette ikke er tilfældet, sagde Maynard-Casely.

"Nitrogenhistorien er virkelig interessant, fordi molekylerne har evnen til at afkøle til en ordnet struktur, som er alfa-nitrogenfasen, og på dette tidspunkt er der et stort volumenfald, " forklarede Maynard-Casely.

"Mensi ved en lidt højere temperatur, omkring 44 Kelvin, nitrogenmolekylerne roterer frit i plastisk tilstand."

Fase I af metan er også beskrevet som en plastisk fase, hvor molekylernes svagt interagerende natur og orienteringsfrihed menes at bibringe en mekanisk blødhed.

Forskningen var motiveret af de slående billeder af Plutos overflade, der blev fanget af New Horizons-missionen for fem år siden, som afbildede tårnhøje iskolde bjerge omgivet af lavere terræn med tilsyneladende flydende træk.

"Vekke er tanken om, at Pluto er en død verden. New Horizons har opfanget beviser for, at dværgplaneten har været geologisk aktiv gennem dens 4 milliarder års levetid."

"Det var også interessant at se, hvor lidt den hydrogenbundne struktur, vand, udvidet over det samme temperaturområde, sagde Maynard-Casely.

"Du ser vand som en næsten lige linje i dataplot, der henviser til, at metan og nitrogen har en betydelig ekspansion ved stigende temperaturer, " hun sagde.