地球之外，太阳系惊现多片液态海洋

这是五张土星的卫星——土卫二的红外光图像。在其冰壳之下，隐藏着一片全球性海洋。这片海洋通过土卫二南极的裂隙喷发到太空中。图片来自美国国家航天局（NASA）/喷气推进实验室-加州理工学院（JPL-Caltech）/亚利桑那大学/LPG /法国国家科学研究中心/南特大学/空间科学研究所（Space Science Institute）

导读： 木星和土星的卫星上似乎隐藏着地下海洋，使得这些卫星成了人们寻找地外生命的诱人目标。至于为什么卫星上有海洋存在，至今仍是未解之谜。 Robin George Andrews | 作者 ‍ 边颖 | 翻译 中国物理学会期刊网 | 来源 对人类而言， 地球是唯一一颗已知的，由海洋覆盖的星球 ，似乎与任何其他的宇宙岛屿都不同。 但1979年，美国国家航天局的两艘旅行者号飞船飞掠木星。观测到了木星的卫星——木卫二。这是一个冰封王国，星球表面沟壑密布，满是裂缝。这样的地貌暗示其表层之下可能隐藏着某种地质运动。 加州大学圣克鲁斯分校的行星科学家弗朗西斯·尼莫 （Francis Nimmo） 表示：“旅行者号飞掠木星后，人们开始怀疑这颗奇怪的卫星——木卫二上可能存在海洋。” 随后，1996年，美国国家航天局的伽利略木星探测器飞掠木卫二时，探测到了来自其内部的奇异磁场。“当时，我们不明白那是什么。”加州大学洛杉矶分校的空间物理学家玛格丽特·基韦尔森 （Margaret Kivelson） 表示道，玛格丽特女士负责飞船磁力计。最终，玛格丽特及其科研团队意识到，在木卫二内部，可能存在导电流体，该流体在木星巨大的磁场的作用下发生了涌动。基韦尔森表示：“唯一合理的解释就是：冰层下有一层熔融态的壳层。” 2004年，美国国家航天局的卡西尼号土星探测器抵达土星。一经观测到土星的小卫星——土卫二，便发现了从卫星南极的巨大裂缝中喷发出的闪闪发光的羽状冰体。卡西尼号土星探测器穿过这些喷口，勘测到了确凿的证据，证明这的确是一片正在猛烈地向太空喷射海水的咸水海洋。 现在，地球海洋不再独一无二。地球上的海洋只是有些奇特罢了，地球海洋存在于阳光照得到的地表，而太阳系外层行星的海洋则隐藏于冰层下，处于黑暗中。看来，地下液态海洋在太阳系中普遍存在，而非特例。除了木卫二和土卫二，也极有可能存在其他卫星，卫星上有被冰层覆盖的海洋。未来十年，将有一系列探测器仔细探索这些卫星。 然而，上述现象引出了一个明显的悖论，那就是，这些卫星在太阳系寒冷的边缘存在了数十亿年之久；按理说，卫星形成时残余的热量早已逸散到太空中了。既如此，任何地下海洋现已应结成了固态冰。那么，这些照不到太阳的冰冻卫星，为何至今仍拥有液态海洋呢？

越来越多的证据表明，可能有多种方法让海洋在数十亿年内维持液态。这些方法一经破解，就将会有可能加速人类探索宇宙中生命起源的进程，并使我们了解该进程的难易程度。新近分析的来自早期航天器的数据、美国国家航天局的朱诺号 (Juno) 航天器和韦布空间望远镜的最新观测结果，都在不断加强现有的证据。即，这些温暖的海洋中含有对生物有益的化学物质。这表明，内太阳系并不是唯一可能孕育生命的地方。 这些存在海洋的卫星还提供了更为宏大的可能性。那就是，温和、潜在宜居的海洋或许是行星形成的必然结果。行星及其卫星与恒星核聚变燃烧的火焰之间的距离可能并不重要。如果确实如此，那么，我们在寻找地外生命的过程中，可能要探索无限的星球。 “冰层下的海洋似乎很奇怪，是不太可能存在的，”美国国家航天局喷气推进实验室的天体生物学家兼地球物理学家史蒂文·万斯 （Steven Vance） 说道，“然而，这些外星海洋仍然顽强地保持液态。” SAIXIANSHENG 一片裹在镜面里的海洋
科学家们怀疑，木星和土星的几颗卫星，乃至天王星和海王星的几颗卫星，都可能拥有海洋。探测器在体积庞大的木卫三和陨石坑遍布的木卫四上，感应到了类似木卫二的弱磁信号。同样，被雾笼罩的土卫六上也极有可能存在一片液态的地下海洋。普渡大学行星科学家迈克·索里 （Mike Sori） 表示：“上述几颗卫星是科学界大多数科学家都一致有信心，认为能发现液态海洋的五个天体。” 加州大学洛杉矶分校的空间物理学家玛格丽特·基韦尔森及其同事们确定，木卫二表面下很可能隐藏着一片全球性海洋。

迄今为止，唯一绝对确定存在海洋的卫星就是土卫二。“这一事实毋庸置疑。”牛津大学行星科学家卡莉·豪威特 （Carly Howett） 如是说。 20世纪80年代，有的科学家怀疑土卫二会产生羽状喷流。土星的E环异常干净明亮，说明一定有什么来自土星卫星的物质正不断泄漏到太空中。卡西尼号土星探测器终于见证了这种让土星光环熠熠生辉的魔力是如何产生的。随后，科学家们曾短暂地质疑过，土卫二南极的羽状喷流是否可能是土卫二外壳的冰被阳光汽化所致，就像是干冰受热蒸发一样。 “有段时间，人们争论海洋是否真的存在，”尼莫 （Nimmo） 说道。“卡西尼号土星探测器穿过喷流时，探测到了盐，即氯化钠。由此，真正确定了海洋的存在。” 还有其他可能，比如这些喷流是从一个更小的、孤立的海洋中喷发出来的。但卡西尼号土星探测器进一步的观察揭示，土卫二冰壳的摇摆幅度是如此之大，以至于冰壳和星球内部之间必须由一片覆盖全球的海洋隔开，才说得通。 “这些喷流还排出氢和石英，这是深海热液喷口活动的迹象。”柏林自由大学行星科学家弗兰克·波斯特伯格 （Frank Postberg） 如是说。在地球上，诸如此类的喷口释放热量和化学物质，以维持生态系统正常运作。该生态系统位于阳光照射不到的深海中。科学家们一度认为，在这个依赖光合作用而生的的世界里，这些生物群落是不可能存在的。 但是，究竟是什么在为这个足以加热整个海洋的喷口系统供能呢？——另一颗炽热无比卫星将会提供一些线索。 SAIXIANSHENG 永恒的、地狱般的潮汐
1979年6月，就在旅行者2号飞掠木卫二的一个月前，科学家们宣布：旅行者1号已经瞥见木卫一上空巨大的、伞形羽状喷流——这是几座火山喷发的印记。 这一观察本应令人困惑，因为火山活动需要内部热源。而木卫一，正如其他冰封卫星一样，本应只留余烬。但就在几个月前，一支独立的科考队正确预测到木卫一可能是一个极度活跃的火山世界。

这队科学家是基于木星最大的卫星——木卫一的轨道运动而进行的预测。木卫一每走完四个轨道，木卫二就会走完两个轨道，木卫三同时会走完一个轨道。这种轨道配置被称为共振状态。该运行方式导致木卫一前后摇摆，使其运行轨道呈椭圆形。木卫一离木星更近时，受到木星的引力更强；离木星更远时，受到的引力就会变弱。这种永不停息的引力拉扯会使木卫一表面的岩石像地球上的潮汐一样上下移动，上下移动的幅度约100米，相当于30层楼高。该潮汐现象和地球上的潮汐现象原理一致，只不过，木卫一上翻涌的是固态的岩石，而不是水。 岩石潮汐在卫星内部的摩擦产生了热量，足以加热融化木卫一内部深处的岩石。“木卫一没有水相海洋，但可能有一个岩浆海洋。”尼莫说道。 （伽利略木星探测器还探测到了木卫一的次级磁场，该磁场是由遍布木卫一的地下熔岩储层产生的。）

加州大学圣克鲁兹分校的弗朗西斯·尼莫（Francis Nimmo）想要解开太阳系外层冰冻海洋世界的谜团。图片来自加州大学圣克鲁兹分校科学中心 木卫二也经历了潮汐加热现象。但是，这些潮汐具体能给海洋提供多少热量，取决于潮汐在卫星内部发生的位置。也就是说，需要有足够的热量传导到海洋中，才能使海洋保持液态。“潮汐加热现象可能发生在冰壳本身的位置，也可能发生在冰壳下方的岩石核心的位置。”尼莫说道。科学家们不知道哪个才是潮汐发生的位置，所以也无从确定潮汐加热现象对维持木卫二内部呈液态的作用具体有多大。 土卫二也与相邻的土卫四跳起了“引力探戈”，它们之间的引力相互拉扯，使其不断拉伸和挤压。理论上，这可能会产生使卫星内部变暖的潮汐。但是，至少在理论层面来说，土卫四共振产生的潮汐，还不足以解释海洋的存在。索里 （Sori） 认为，现有的数字还无法解释该现象。而且，产生的热量也不足以维持一片全球性海洋长达数十亿年之久。也许，土卫二的海洋保持液态的原理就像木卫二一样。只可惜，科学家们还不太清楚土卫二内部的潮汐究竟是在星球上的哪个位置释放热量的。 还有一个令人困惑的因素就是，轨道在天文时间尺度上并非固定不变。随着行星系统的演化，卫星也会迁移。“当星体在不同共振中漂移的时候，潮汐加热现象可以随之开启或停止。”英国开放大学的行星科学家大卫·罗瑟里 （David Rothery） 如是说。科学家怀疑，这种情况也发生在天王星的两颗卫星天卫五和天卫一上，这两颗卫星曾经可能是共振的伴星。这些卫星看起来曾经有活跃的地质运动，但现在，其核心可能早已冻结了。

同样，土卫二或许并非自始至终与土卫四互为伴星：也许两者围绕土星运动的时间并不长，只是近期才开始运动，使之前固态的卫星变暖。但这种情况同样难以解释。索里认为：“维持海洋的存在，比冻结再融化一片海洋容易多了。”因此，如果潮汐加热现象是土卫二海洋存在的唯一原因，那么这颗卫星就已是一位舞了数十亿年的“资深舞者”了。 目前，我们仅能确定这颗卫星上存在海洋。至于海洋是如何形成的？又如何存在至今？索里表示：“土卫二令人捉摸不透，这是重大未解之谜之一。” SAIXIANSHENG 放射性的叛逆者 ‍
幸运的是，卫星内部的温暖并不完全依赖于潮汐。 地球内部的热量，一半来自其诞生之时。另一部分热量则来自放射性元素的衰变。同样，冰卫星的深处岩石密布，所以也应该含有大量的铀、钍和钾。以上放射性物质在衰变成稳定元素，停止释放热量之前，能够为周围环境提供数亿年、甚至数十亿年的热源。 体积更大的卫星在形成之初就拥有更为丰富的放射性物质储量。也许，这就是卫星上的海洋所需的能量。“对于像木卫三、木卫四和土卫六这样的大卫星来说，由于这种放射性物质的因素，海洋几乎是必然存在的。”万斯说道。一些科学家甚至认为冥王星上也存在一片地下海洋。正如这三颗卫星一样，冥王星这颗矮行星可能被一个足够厚的地壳所隔离，从而减缓了这个“放射性的大熔炉”向太空释放能量的速率。

然而，像土卫二这样体积相对来说较小的卫星，其核心所含的放射性物质不足以维持数十亿年之久的温暖。针对这个难题，有个不尽人意的答案是：也许土卫二纯属幸运：放射性物质可以解释其海洋早期的部分历史，而土卫二与土卫四的共振则是更为近期的事件。也许“我们现在正处于一个转折点，放射能加热的比重变得如此之低，以至于潮汐加热效应接过了加热海洋的接力棒。”波斯特伯格 （Postberg） 如是说。 若是当真如此，那么土卫二可能就是宇宙的一个缩影：该卫星将潮汐加热和放射能加热偶然地结合在一起。这意味着，有海洋覆盖的卫星可能无处不在。反之，若非如此，则几乎无处可寻。 SAIXIANSHENG 年轻的海洋
幸运的是，卫星内部的温暖并不完全依赖于潮汐。 一些科学家提出了另一种颇具争议的看法—— 土卫二可能非常年轻 。 卡西尼号土星探测器收集的大量数据中隐藏着这样的线索：土星并非天生就拥有其标志性的光环。相反，许多科学家现在相信，这些光环是在几亿年前才形成的。最新研究利用超级计算机模拟了卫星之间的碰撞，发现土星的光环是两颗古老的卫星相撞时形成的。那时，地球正处于剑龙生活的时代。这场碰撞在土星的轨道上散落了无数冰块碎片；尽管其中许多碎片组成了土星的光环，而其他碎片则击碎了现有的卫星并创造了新的卫星。如果光环年轻，那么土卫二及其他几颗卫星则可能也很年轻。

“人们似乎越来越愿意接受卫星很年轻这个观点了。”加州山景城美国国家航天局艾姆斯研究中心的研究员雅各布·凯格雷斯 （Jacob Kegerreis） 如是说。雅各布也是“近期成环研究”的共同作者之一。 有趣的是，事实表明，科学家们甚至不知道土星的一些卫星到底有多老。“土卫二可能只有几亿年或几千万年的历史，”罗瑟里 （Rothery） 说道。如果确实如此，那么土卫二炽烈诞生时产生的热量可能仍正使这片年轻的海洋保持液态。 但关于卫星年轻化的说法远未得到证实。许多卫星上有大量陨石坑，这表明，这些卫星经历过太阳系中各个星体像弹珠一样混乱撞击的时代，已然存在了许多纪元。“我的确认为，几亿年前，土星系统中发生了一些奇怪的现象，”尼莫说道，“但我猜，所有卫星的年龄都是45亿年。” SAIXIANSHENG 卫星预言家们
伽利略木星探测器和卡西尼号土星探测器早已达成使命。科学家们现在寄希望于两个新的航天探测器上：一个是欧洲空间局最近发射的的冰质木卫探测器 （JUICE） ；另一个是美国国家航天局将要发射的木卫二快船 （Europa Clipper） 。这两个探测器将在下一个十年之初抵达木星。 这把我们再次带回木卫二的话题，正是这颗卫星最先迫使人们重新想象地球海洋的宇宙背景。

据任务目标清单，木卫二快船的目标之一是“证实”木卫二海洋的存在。尼莫表示：“关于‘证实’这个词，争议颇多。”木卫二快船可能会发现除了海洋以外的其他物质，比如，可能会发现一个遍布着融水坑的冰封海洋。尼莫开玩笑说：“木卫二快船还可能会发现一层薄薄的金子。不过，我有99%的把握证明木卫二上有一片海洋。”

假设木卫二快船证实了海洋的存在，快船便将开始研究该卫星及其地下海洋的特性。为此，木卫二快船首先会搞清楚木卫二表面存在哪些分子。幸运的话，还可以弄清海洋里的分子构成。当快船飞掠卫星时，将吸收卫星表面飘过的的任何微尘、冰晶或水蒸气。快船配备的表面尘埃分析仪将会研究这些微粒。当微粒撞击其金属板时，微粒会汽化并带有电荷，从而方便分析仪揭示这些微粒的化学性质。 人们希望木卫二的海洋会温和地向太空中释放喷流，因为这将使木卫二快船的探测任务变得容易得多。木卫二上可能存在这样的羽状喷流，但不同于土卫二，这些喷流可能是间歇性、地域性的，或者压根就没有喷流。如果是这样的话，人们希望微小的陨石撞击能够剥离冰壳，释放出少许海洋成分，并喷射到木卫二快船上以供检测。 结果可能是，木卫二和其他卫星在保持温暖方面依赖的化学反应并不像我们预期的那样陌生。索里说道：“在冬天，我们会撒盐来降低雪的融点。”也许，木卫二的海洋盐度极高，降低了冰点。“不过，还有其他化合物能够更有效地防止冻结——特别是氨。”索里说道。氨在远离太阳光芒，不易被蒸发的地方储量更为丰富。 潮汐、辐射能、化学和年轻：当以上要素正确地组合在一起时，可以在这些冰冷的卫星上产生并维持液态海洋。豪厄特 （Howett） 认为：“上述因素不应是非此即彼的。”每个卫星所具体具备的因素也许是不同的，也就是说，形成一颗充满海洋的冰冻卫星，或许有数百种方式。

基韦尔森表示：“木卫二秘密海洋的发现诚然改变了人们对卫星的看法。”促使科学界踏上了一条确定外星生命是否可能存在于外星海洋中的探索之路。并且，可能带来一项新的发现，永远改变我们对于人类在宇宙中的定位的看法。

声明： 中文翻译于2024年7月11日首发于微信公众号“中国物理学会期刊网”。 原文来自Quanta Magazine，链接：https://www.quantamagazine.org/icy-oceans-exist-on-far-off-moons-why-arent-they-frozen-solid-20231102/ 星标《赛先生》 公众号， 不要错过我们每日为您精心准备的高质量文章！

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