冥王星的卫星：碰撞的历史

科学摘要

冥王星系统包括一颗主卫星卡戎（可能由巨大碰撞形成），以及四颗于1978年至2012年间发现的小型不规则卫星（尼克斯、许德拉、刻耳柏洛斯和冥河）。它们近乎共面的轨道和近共振关系表明其具有共同起源，与太阳系早期的一次重大撞击事件有关。它们的大小（约10至1,212公里）和成分多样——卡戎主要由水冰与岩石混合组成，而尼克斯和许德拉的密度显著较低（约1.0至1.2 g/cm³），表明其内部富含冰——为理解柯伊伯带中的吸积过程和轨道动力学提供了独特的窗口。

冥王星的卫星是如何形成的，它们揭示了矮行星的哪些历史？

本文的核心问题是位于太阳系边缘的矮行星冥王星的卫星系统的起源和演化。来自太空观测（哈勃）和新视野号任务的数据表明，该系统并非简单的引力捕获结果。当前以冥王星-卡戎对（一个重心位于冥王星外部的双星系统）为主导的构型，以及四颗在近乎圆形且靠近赤道面的轨道上运行的小卫星的存在，支持巨大碰撞 scenario。冥王星与柯伊伯带另一个天体之间的巨大撞击剥离了冰质地幔，诞生了卡戎，随后形成的碎片盘聚集形成较小的卫星。这一假设得到了卡戎以冰为主的成分（与冥王星更岩石的性质形成对比）以及最近动力学测量揭示的尼克斯和许德拉极低密度的支持。对这些大小和形状各异（有些呈土豆状）的卫星的研究，使我们能够追溯早期太阳系中这颗矮行星的剧烈历史。

从卡戎到冥河：探索冥王星周围隐藏的世界

卡戎

卡戎于1978年由詹姆斯·W·克里斯蒂（生于1938年）与罗伯特·哈灵顿合作，在冥王星的放大图像上发现，是相对于冥王星而言的一颗大卫星。卡戎的直径为1,212 ± 2公里（平均半径606.0 ± 1.0公里），略小于我们月球直径的3倍。卡戎的质量约为冥王星的八分之一（质量比约0.117），这使得它按比例而言，是已知相对于其行星最大的天然卫星。

这对“地狱伴侣”像由刚性中心杆连接的两个物体（如哑铃）一样，围绕其共同的引力中心（重心）运行。卡戎平均位于距冥王星约19,600公里处，以6.387221天的周期绕矮行星运行，这与冥王星的自转周期相同：这两个天体相互同步，各自始终将同一面朝向对方。卡戎所含的冰比例高于冥王星：矮行星按质量计约三分之二是岩石，而卡戎约为60%，因此它看起来比其同伴富含水冰得多。

许德拉和尼克斯

许德拉和尼克斯是两颗小卫星，于2005年5月和6月利用哈勃太空望远镜在冥王星轨道上发现，由哈尔·韦弗（生于1953年）和艾伦·斯特恩（生于1957年）领导的美国团队发现。这两颗卫星（P2和P3）分别位于距系统重心约49,300公里和65,200公里的轨道上，比卡戎远得多。

刻耳柏洛斯

第四颗卫星于2011年6月28日由马克·肖沃尔特（生于1957年）领导的团队利用哈勃太空望远镜发现；自2013年起被命名为刻耳柏洛斯。在新视野号飞越之前，刻耳柏洛斯对其邻居尼克斯和许德拉的引力影响与其微弱的光度相比似乎不成比例：天文学家由此推断其大小在13至34公里之间，并假设其表面暗淡以解释这种低调。然而，探测器于2015年7月获得的近距离图像完全推翻了这一预测。刻耳柏洛斯比预期小得多（约19 × 10 × 9公里），而且最重要的是，它明亮得多，反照率约为50%，与其他小卫星相当，表明其表面是相对纯净的水冰。其双瓣形状由两个直径分别约8公里和5公里的不同质量体粘合而成，表明它是两个较小天体合并的结果。

冥河

至于P5，命名为冥河，于2012年6月26日由马克·肖沃尔特领导的同一团队发现，当时天文学家们正在为“新视野号”任务的飞越做准备。它是四颗小卫星中最小的一颗，也是最靠近冥王星的一颗，其等效直径约为10.5公里，呈细长不规则的形状，接近土豆形状。

注：
新视野号探测器于2006年1月19日发射，是首个访问冥王星的航天器。它直接以相对于地球约16.26公里/秒（58,500公里/小时）的速度进入太阳逃逸轨道，保持着从地球发射的航天器有史以来最高发射速度的记录。随后，它于2007年2月借助木星的引力助推，额外获得了约4公里/秒的速度，并将其前往冥王星的旅程缩短了数年。

表格：从巨型卡戎到冥王星的小卫星

所有卫星都在近乎共面的平面上运行，这支持了共同起源（巨大碰撞）的观点。冥王星的小卫星尼克斯、许德拉、刻耳柏洛斯和冥河的轨道接近与冥王星-卡戎对的共振，但并未完全同步。它们的轨道周期约为3.3：4：5.1：6.1。由于质量极小，几乎无法通过动力学测量，刻耳柏洛斯和冥河的密度仍然不确定。

质量和密度：小卫星的动力学揭示了什么

哈勃和新视野号精化的质量

冥王星卫星的物理、轨道特性及特殊之处
卫星	尺寸 (公里)	到重心的距离 (公里)	轨道周期 (天)	密度 (g/cm³)	特殊之处
卡戎	⌀ 1,212 ± 2	≈19,596	6.387221	1.702 ± 0.021	相对于其行星最大的卫星——独特的双星系统
尼克斯	48.4 × 33.8 × 31.4	≈49,338	25.5113	1.03 ± 0.20	表面非常明亮，富含水冰——密度与许德拉接近
许德拉	52.0 × 36.5 × 29.3	≈65,186	38.7428	1.22 ± 0.15	小卫星中最大——内部凝聚力低，形状复杂
刻耳柏洛斯	≈19 × 10 × 9	≈58,280	32.7517	< 2.0 (不确定)	双瓣形状——比新视野号之前预期的要小得多，也亮得多
冥河	⌀ ≈10.5 ± 3	≈43,172	20.8825	< 2.1 (不确定)	最小且最靠近冥王星——轨道约束最差

长期以来，冥王星四颗小卫星的质量只能通过哈勃太空望远镜图像序列中它们相互的引力影响来间接估算。2023年，一项将2005年至2019年间哈勃所有观测数据与新视野号探测器图像相结合的新分析，大大精化了这些估算。结果表明，尼克斯和许德拉实际上比先前解所暗示的质量更小，其质量分别约为2.6 × 10¹⁶ kg和3.0 × 10¹⁶ kg。

揭示冰质成分的密度

结合新视野号近距离图像推断出的体积，这些质量为尼克斯和许德拉提供了约1.0至1.2 g/cm³的密度，远低于卡戎（1.70 g/cm³），更低于冥王星（1.86 g/cm³）。这种密度，加上其以水冰为主的非常明亮的表面，表明这两颗卫星的内部富含冰，与火卫一、火卫二或柯伊伯带天体Arrokoth等类似大小的小天体相比，内部孔隙率相对较低。另一方面，刻耳柏洛斯和冥河的质量仍太接近测量噪声，无法精确测定：只能确定密度上限（分别< 2.0和< 2.1 g/cm³）。

证实了主要由冰构成的碎片盘

这一结果强化了这样一种场景：在形成卡戎的巨大碰撞中，两个前身天体的外层形成了一个以冰为主的碎片盘，其凝聚后来产生了四颗小卫星。

尼克斯和许德拉是卡戎内部的碎片？韦伯望远镜的线索

韦伯望远镜观测到的独特光谱特征

一个更近期且仍属初步的证据链完善了这幅图景。2025年7月，在新视野号飞越冥王星十周年纪念的科学会议上，太空望远镜科学研究所的一个团队展示了关于尼克斯和许德拉的詹姆斯·韦伯太空望远镜的首次观测数据。这些数据是在该仪器主要观测冥王星和卡戎时偶然获得的，表明这两颗卫星的颜色和光谱与迄今为止分类的任何主要外海王星天体族都不匹配：它们的表面由一种微红色物质（可能是碳质）主导，这种物质在外海王星区域似乎是独一无二的。

卡戎地壳的碎片？

根据此次报告作者的说法，这种光谱特征使尼克斯和许德拉更接近卡戎的深部内部，而不是周围柯伊伯带的典型天体，这支持了巨大碰撞形成的共同起源假说：这两颗卫星可能是原卡戎的地壳和上地幔在撞击中被剥离的碎片。作者甚至提出，来自微陨石撞击的尘埃落在尼克斯和许德拉上，被卡戎的引力捕获，如今可能落回其表面——这一机制可以部分解释在卡戎微红色的北极（魔多暗斑）观测到的某些特征。

注：
这些结论目前基于会议报告，尚未经过同行评审的科学出版；因此，在等待更深入的光谱观测之前，应将其视为初步结果。

参考文献

NASA NSSDCA, Pluto Fact Sheet
F. Nimmo et al., « Reorientation of Sputnik Planitia implies a subsurface ocean on Pluto », Nature 540, 94–96 (2016), DOI: 10.1038/nature20148
F. Nimmo et al., « Mean radius and shape of Pluto and Charon from New Horizons images », Icarus 287, 12–29 (2017), DOI: 10.1016/j.icarus.2016.06.027
H. A. Weaver et al., « The small satellites of Pluto as observed by New Horizons », Science 351, aae0030 (2016), DOI: 10.1126/science.aae0030
S. B. Porter & R. M. Canup, « Orbits and Masses of the Small Satellites of Pluto », The Planetary Science Journal 4, 120 (2023), DOI: 10.3847/PSJ/acde77
N. Taylor Tillman, « Pluto's dwarf planet partner Charon may have spilled its guts to create 2 of the pair's moons », Space.com, 2025年9月1日 (关于B. Holler报告的报道，会议 « Progress in Understanding Pluto: 10 Years After Flyby »，2025年7月) — 文章链接