原文標(biāo)題：《震驚！除地球外，太陽系驚現(xiàn)多片液態(tài)海洋》
木星和土星的衛(wèi)星上似乎隱藏著地下海洋，使得這些衛(wèi)星成了人們尋找地外生命的誘人目標(biāo)。至于為什么衛(wèi)星上有海洋存在，至今仍是未解之謎。
對人類而言，地球是唯一一顆已知的，由海洋覆蓋的星球，似乎與任何其他的宇宙島嶼都不同。
但 1979 年，美國國家航天局的兩艘旅行者號(hào)飛船飛掠木星。觀測到了木星的衛(wèi)星 —— 木衛(wèi)二。這是一個(gè)冰封王國，星球表面溝壑密布，滿是裂縫。這樣的地貌暗示其表層之下可能隱藏著某種地質(zhì)運(yùn)動(dòng)。
加州大學(xué)圣克魯斯分校的行星科學(xué)家弗朗西斯?尼莫（Francis Nimmo）表示：“旅行者號(hào)飛掠木星后，人們開始懷疑這顆奇怪的衛(wèi)星 —— 木衛(wèi)二上可能存在海洋?！?/p>
隨后，1996 年，美國國家航天局的伽利略木星探測器飛掠木衛(wèi)二時(shí)，探測到了來自其內(nèi)部的奇異磁場。“當(dāng)時(shí)，我們不明白那是什么?！奔又荽髮W(xué)洛杉磯分校的空間物理學(xué)家瑪格麗特?基韋爾森（Margaret Kivelson）表示道，瑪格麗特女士負(fù)責(zé)飛船磁力計(jì)。最終，瑪格麗特及其科研團(tuán)隊(duì)意識(shí)到，在木衛(wèi)二內(nèi)部，可能存在導(dǎo)電流體，該流體在木星巨大的磁場的作用下發(fā)生了涌動(dòng)。基韋爾森表示：“唯一合理的解釋就是：冰層下有一層熔融態(tài)的殼層。”
2004 年，美國國家航天局的卡西尼號(hào)土星探測器抵達(dá)土星。一經(jīng)觀測到土星的小衛(wèi)星 —— 土衛(wèi)二，便發(fā)現(xiàn)了從衛(wèi)星南極的巨大裂縫中噴發(fā)出的閃閃發(fā)光的羽狀冰體?？ㄎ髂崽?hào)土星探測器穿過這些噴口，勘測到了確鑿的證據(jù)，證明這的確是一片正在猛烈地向太空噴射海水的咸水海洋。
現(xiàn)在，地球海洋不再獨(dú)一無二。地球上的海洋只是有些奇特罷了，地球海洋存在于陽光照得到的地表，而太陽系外層行星的海洋則隱藏于冰層下，處于黑暗中?？磥?，地下液態(tài)海洋在太陽系中普遍存在，而非特例。除了木衛(wèi)二和土衛(wèi)二，也極有可能存在其他衛(wèi)星，衛(wèi)星上有被冰層覆蓋的海洋。未來十年，將有一系列探測器仔細(xì)探索這些衛(wèi)星。
然而，上述現(xiàn)象引出了一個(gè)明顯的悖論，那就是，這些衛(wèi)星在太陽系寒冷的邊緣存在了數(shù)十億年之久；按理說，衛(wèi)星形成時(shí)殘余的熱量早已逸散到太空中了。既如此，任何地下海洋現(xiàn)已應(yīng)結(jié)成了固態(tài)冰。那么，這些照不到太陽的冰凍衛(wèi)星，為何至今仍擁有液態(tài)海洋呢？
越來越多的證據(jù)表明，可能有多種方法讓海洋在數(shù)十億年內(nèi)維持液態(tài)。這些方法一經(jīng)破解，就將會(huì)有可能加速人類探索宇宙中生命起源的進(jìn)程，并使我們了解該進(jìn)程的難易程度。新近分析的來自早期航天器的數(shù)據(jù)、美國國家航天局的朱諾號(hào) (Juno) 航天器和韋布空間望遠(yuǎn)鏡的最新觀測結(jié)果，都在不斷加強(qiáng)現(xiàn)有的證據(jù)。即，這些溫暖的海洋中含有對生物有益的化學(xué)物質(zhì)。這表明，內(nèi)太陽系并不是唯一可能孕育生命的地方。
這些存在海洋的衛(wèi)星還提供了更為宏大的可能性。那就是，溫和、潛在宜居的海洋或許是行星形成的必然結(jié)果。行星及其衛(wèi)星與恒星核聚變?nèi)紵幕鹧嬷g的距離可能并不重要。如果確實(shí)如此，那么，我們在尋找地外生命的過程中，可能要探索無限的星球。
“冰層下的海洋似乎很奇怪，是不太可能存在的，”美國國家航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的天體生物學(xué)家兼地球物理學(xué)家史蒂文?萬斯（Steven Vance）說道，“然而，這些外星海洋仍然頑強(qiáng)地保持液態(tài)?！?/p>
一片裹在鏡面里的海洋
科學(xué)家們懷疑，木星和土星的幾顆衛(wèi)星，乃至天王星和海王星的幾顆衛(wèi)星，都可能擁有海洋。探測器在體積龐大的木衛(wèi)三和隕石坑遍布的木衛(wèi)四上，感應(yīng)到了類似木衛(wèi)二的弱磁信號(hào)。同樣，被霧籠罩的土衛(wèi)六上也極有可能存在一片液態(tài)的地下海洋。普渡大學(xué)行星科學(xué)家邁克?索里（Mike Sori）表示：“上述幾顆衛(wèi)星是科學(xué)界大多數(shù)科學(xué)家都一致有信心，認(rèn)為能發(fā)現(xiàn)液態(tài)海洋的五個(gè)天體。”
加州大學(xué)洛杉磯分校的空間物理學(xué)家瑪格麗特?基韋爾森及其同事們確定，木衛(wèi)二表面下很可能隱藏著一片全球性海洋。
迄今為止，唯一絕對確定存在海洋的衛(wèi)星就是土衛(wèi)二?！斑@一事實(shí)毋庸置疑?！迸＝虼髮W(xué)行星科學(xué)家卡莉?豪威特（Carly Howett）如是說。
20 世紀(jì) 80 年代，有的科學(xué)家懷疑土衛(wèi)二會(huì)產(chǎn)生羽狀噴流。土星的 E 環(huán)異常干凈明亮，說明一定有什么來自土星衛(wèi)星的物質(zhì)正不斷泄漏到太空中。卡西尼號(hào)土星探測器終于見證了這種讓土星光環(huán)熠熠生輝的魔力是如何產(chǎn)生的。隨后，科學(xué)家們曾短暫地質(zhì)疑過，土衛(wèi)二南極的羽狀噴流是否可能是土衛(wèi)二外殼的冰被陽光汽化所致，就像是干冰受熱蒸發(fā)一樣。
“有段時(shí)間，人們爭論海洋是否真的存在，”尼莫（Nimmo）說道?！翱ㄎ髂崽?hào)土星探測器穿過噴流時(shí)，探測到了鹽，即氯化鈉。由此，真正確定了海洋的存在。”還有其他可能，比如這些噴流是從一個(gè)更小的、孤立的海洋中噴發(fā)出來的。但卡西尼號(hào)土星探測器進(jìn)一步的觀察揭示，土衛(wèi)二冰殼的搖擺幅度是如此之大，以至于冰殼和星球內(nèi)部之間必須由一片覆蓋全球的海洋隔開，才說得通。
“這些噴流還排出氫和石英，這是深海熱液噴口活動(dòng)的跡象?！卑亓肿杂纱髮W(xué)行星科學(xué)家弗蘭克?波斯特伯格（Frank Postberg）如是說。在地球上，諸如此類的噴口釋放熱量和化學(xué)物質(zhì)，以維持生態(tài)系統(tǒng)正常運(yùn)作。該生態(tài)系統(tǒng)位于陽光照射不到的深海中?？茖W(xué)家們一度認(rèn)為，在這個(gè)依賴光合作用而生的的世界里，這些生物群落是不可能存在的。
但是，究竟是什么在為這個(gè)足以加熱整個(gè)海洋的噴口系統(tǒng)供能呢？—— 另一顆熾熱無比衛(wèi)星將會(huì)提供一些線索。
永恒的、地獄般的潮汐
1979 年 6 月，就在旅行者 2 號(hào)飛掠木衛(wèi)二的一個(gè)月前，科學(xué)家們宣布：旅行者 1 號(hào)已經(jīng)瞥見木衛(wèi)一上空巨大的、傘形羽狀噴流 —— 這是幾座火山噴發(fā)的印記。
這一觀察本應(yīng)令人困惑，因?yàn)榛鹕交顒?dòng)需要內(nèi)部熱源。而木衛(wèi)一，正如其他冰封衛(wèi)星一樣，本應(yīng)只留余燼。但就在幾個(gè)月前，一支獨(dú)立的科考隊(duì)正確預(yù)測到木衛(wèi)一可能是一個(gè)極度活躍的火山世界。
這隊(duì)科學(xué)家是基于木星最大的衛(wèi)星 —— 木衛(wèi)一的軌道運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行的預(yù)測。木衛(wèi)一每走完四個(gè)軌道，木衛(wèi)二就會(huì)走完兩個(gè)軌道，木衛(wèi)三同時(shí)會(huì)走完一個(gè)軌道。這種軌道配置被稱為共振狀態(tài)。該運(yùn)行方式導(dǎo)致木衛(wèi)一前后搖擺，使其運(yùn)行軌道呈橢圓形。木衛(wèi)一離木星更近時(shí)，受到木星的引力更強(qiáng)；離木星更遠(yuǎn)時(shí)，受到的引力就會(huì)變?nèi)?/strong>。這種永不停息的引力拉扯會(huì)使木衛(wèi)一表面的巖石像地球上的潮汐一樣上下移動(dòng)，上下移動(dòng)的幅度約 100 米，相當(dāng)于 30 層樓高。該潮汐現(xiàn)象和地球上的潮汐現(xiàn)象原理一致，只不過，木衛(wèi)一上翻涌的是固態(tài)的巖石，而不是水。
巖石潮汐在衛(wèi)星內(nèi)部的摩擦產(chǎn)生了熱量，足以加熱融化木衛(wèi)一內(nèi)部深處的巖石。“木衛(wèi)一沒有水相海洋，但可能有一個(gè)巖漿海洋?！蹦崮f道。（伽利略木星探測器還探測到了木衛(wèi)一的次級磁場，該磁場是由遍布木衛(wèi)一的地下熔巖儲(chǔ)層產(chǎn)生的。）
木衛(wèi)二也經(jīng)歷了潮汐加熱現(xiàn)象。但是，這些潮汐具體能給海洋提供多少熱量，取決于潮汐在衛(wèi)星內(nèi)部發(fā)生的位置。也就是說，需要有足夠的熱量傳導(dǎo)到海洋中，才能使海洋保持液態(tài)。“潮汐加熱現(xiàn)象可能發(fā)生在冰殼本身的位置，也可能發(fā)生在冰殼下方的巖石核心的位置?！蹦崮f道。科學(xué)家們不知道哪個(gè)才是潮汐發(fā)生的位置，所以也無從確定潮汐加熱現(xiàn)象對維持木衛(wèi)二內(nèi)部呈液態(tài)的作用具體有多大。
土衛(wèi)二也與相鄰的土衛(wèi)四跳起了“引力探戈”，它們之間的引力相互拉扯，使其不斷拉伸和擠壓。理論上，這可能會(huì)產(chǎn)生使衛(wèi)星內(nèi)部變暖的潮汐。但是，至少在理論層面來說，土衛(wèi)四共振產(chǎn)生的潮汐，還不足以解釋海洋的存在。索里（Sori）認(rèn)為，現(xiàn)有的數(shù)字還無法解釋該現(xiàn)象。而且，產(chǎn)生的熱量也不足以維持一片全球性海洋長達(dá)數(shù)十億年之久。也許，土衛(wèi)二的海洋保持液態(tài)的原理就像木衛(wèi)二一樣。只可惜，科學(xué)家們還不太清楚土衛(wèi)二內(nèi)部的潮汐究竟是在星球上的哪個(gè)位置釋放熱量的。
還有一個(gè)令人困惑的因素就是，軌道在天文時(shí)間尺度上并非固定不變。隨著行星系統(tǒng)的演化，衛(wèi)星也會(huì)遷移。“當(dāng)星體在不同共振中漂移的時(shí)候，潮汐加熱現(xiàn)象可以隨之開啟或停止。”英國開放大學(xué)的行星科學(xué)家大衛(wèi)?羅瑟里（David Rothery）如是說?？茖W(xué)家懷疑，這種情況也發(fā)生在天王星的兩顆衛(wèi)星天衛(wèi)五和天衛(wèi)一上，這兩顆衛(wèi)星曾經(jīng)可能是共振的伴星。這些衛(wèi)星看起來曾經(jīng)有活躍的地質(zhì)運(yùn)動(dòng)，但現(xiàn)在，其核心可能早已凍結(jié)了。
同樣，土衛(wèi)二或許并非自始至終與土衛(wèi)四互為伴星：也許兩者圍繞土星運(yùn)動(dòng)的時(shí)間并不長，只是近期才開始運(yùn)動(dòng)，使之前固態(tài)的衛(wèi)星變暖。但這種情況同樣難以解釋。索里認(rèn)為：“維持海洋的存在，比凍結(jié)再融化一片海洋容易多了。”因此，如果潮汐加熱現(xiàn)象是土衛(wèi)二海洋存在的唯一原因，那么這顆衛(wèi)星就已是一位舞了數(shù)十億年的“資深舞者”了。
目前，我們僅能確定這顆衛(wèi)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：“土衛(wèi)二令人捉摸不透，這是重大未解之謎之一?！?/p>
放射性的叛逆者
幸運(yùn)的是，衛(wèi)星內(nèi)部的溫暖并不完全依賴于潮汐。
地球內(nèi)部的熱量，一半來自其誕生之時(shí)。另一部分熱量則來自放射性元素的衰變。同樣，冰衛(wèi)星的深處巖石密布，所以也應(yīng)該含有大量的鈾、釷和鉀。以上放射性物質(zhì)在衰變成穩(wěn)定元素，停止釋放熱量之前，能夠?yàn)橹車h(huán)境提供數(shù)億年、甚至數(shù)十億年的熱源。
體積更大的衛(wèi)星在形成之初就擁有更為豐富的放射性物質(zhì)儲(chǔ)量。也許，這就是衛(wèi)星上的海洋所需的能量?！皩τ谙?strong>木衛(wèi)三、木衛(wèi)四和土衛(wèi)六這樣的大衛(wèi)星來說，由于這種放射性物質(zhì)的因素，海洋幾乎是必然存在的?！比f斯說道。一些科學(xué)家甚至認(rèn)為冥王星上也存在一片地下海洋。正如這三顆衛(wèi)星一樣，冥王星這顆矮行星可能被一個(gè)足夠厚的地殼所隔離，從而減緩了這個(gè)“放射性的大熔爐”向太空釋放能量的速率。
然而，像土衛(wèi)二這樣體積相對來說較小的衛(wèi)星，其核心所含的放射性物質(zhì)不足以維持?jǐn)?shù)十億年之久的溫暖。針對這個(gè)難題，有個(gè)不盡人意的答案是：也許土衛(wèi)二純屬幸運(yùn)：放射性物質(zhì)可以解釋其海洋早期的部分歷史，而土衛(wèi)二與土衛(wèi)四的共振則是更為近期的事件。也許“我們現(xiàn)在正處于一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，放射能加熱的比重變得如此之低，以至于潮汐加熱效應(yīng)接過了加熱海洋的接力棒?！辈ㄋ固夭瘢≒ostberg）如是說。
若是當(dāng)真如此，那么土衛(wèi)二可能就是宇宙的一個(gè)縮影：該衛(wèi)星將潮汐加熱和放射能加熱偶然地結(jié)合在一起。這意味著，有海洋覆蓋的衛(wèi)星可能無處不在。反之，若非如此，則幾乎無處可尋。
年輕的海洋
一些科學(xué)家提出了另一種頗具爭議的看法 —— 土衛(wèi)二可能非常年輕。
卡西尼號(hào)土星探測器收集的大量數(shù)據(jù)中隱藏著這樣的線索：土星并非天生就擁有其標(biāo)志性的光環(huán)。相反，許多科學(xué)家現(xiàn)在相信，這些光環(huán)是在幾億年前才形成的。最新研究利用超級計(jì)算機(jī)模擬了衛(wèi)星之間的碰撞，發(fā)現(xiàn)土星的光環(huán)是兩顆古老的衛(wèi)星相撞時(shí)形成的。那時(shí)，地球正處于劍龍生活的時(shí)代。這場碰撞在土星的軌道上散落了無數(shù)冰塊碎片；盡管其中許多碎片組成了土星的光環(huán)，而其他碎片則擊碎了現(xiàn)有的衛(wèi)星并創(chuàng)造了新的衛(wèi)星。如果光環(huán)年輕，那么土衛(wèi)二及其他幾顆衛(wèi)星則可能也很年輕。
“人們似乎越來越愿意接受衛(wèi)星很年輕這個(gè)觀點(diǎn)了。”加州山景城美國國家航天局艾姆斯研究中心的研究員雅各布?凱格雷斯（Jacob Kegerreis）如是說。雅各布也是“近期成環(huán)研究”的共同作者之一。
有趣的是，事實(shí)表明，科學(xué)家們甚至不知道土星的一些衛(wèi)星到底有多老?！巴列l(wèi)二可能只有幾億年或幾千萬年的歷史，”羅瑟里（Rothery）說道。如果確實(shí)如此，那么土衛(wèi)二熾烈誕生時(shí)產(chǎn)生的熱量可能仍正使這片年輕的海洋保持液態(tài)。
但關(guān)于衛(wèi)星年輕化的說法遠(yuǎn)未得到證實(shí)。許多衛(wèi)星上有大量隕石坑，這表明，這些衛(wèi)星經(jīng)歷過太陽系中各個(gè)星體像彈珠一樣混亂撞擊的時(shí)代，已然存在了許多紀(jì)元。“我的確認(rèn)為，幾億年前，土星系統(tǒng)中發(fā)生了一些奇怪的現(xiàn)象，”尼莫說道，“但我猜，所有衛(wèi)星的年齡都是 45 億年。”
衛(wèi)星預(yù)言家們
伽利略木星探測器和卡西尼號(hào)土星探測器早已達(dá)成使命?？茖W(xué)家們現(xiàn)在寄希望于兩個(gè)新的航天探測器上：一個(gè)是歐洲空間局最近發(fā)射的的冰質(zhì)木衛(wèi)探測器（JUICE）；另一個(gè)是美國國家航天局將要發(fā)射的木衛(wèi)二快船（Europa Clipper）。這兩個(gè)探測器將在下一個(gè)十年之初抵達(dá)木星。
這把我們再次帶回木衛(wèi)二的話題，正是這顆衛(wèi)星最先迫使人們重新想象地球海洋的宇宙背景。
據(jù)任務(wù)目標(biāo)清單，木衛(wèi)二快船的目標(biāo)之一是“證實(shí)”木衛(wèi)二海洋的存在。尼莫表示：“關(guān)于‘證實(shí)’這個(gè)詞，爭議頗多。”木衛(wèi)二快船可能會(huì)發(fā)現(xiàn)除了海洋以外的其他物質(zhì)，比如，可能會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)遍布著融水坑的冰封海洋。尼莫開玩笑說：“木衛(wèi)二快船還可能會(huì)發(fā)現(xiàn)一層薄薄的金子。不過，我有 99% 的把握證明木衛(wèi)二上有一片海洋?！?/p>
假設(shè)木衛(wèi)二快船證實(shí)了海洋的存在，快船便將開始研究該衛(wèi)星及其地下海洋的特性。為此，木衛(wèi)二快船首先會(huì)搞清楚木衛(wèi)二表面存在哪些分子。幸運(yùn)的話，還可以弄清海洋里的分子構(gòu)成。當(dāng)快船飛掠衛(wèi)星時(shí)，將吸收衛(wèi)星表面飄過的的任何微塵、冰晶或水蒸氣?？齑鋫涞谋砻鎵m埃分析儀將會(huì)研究這些微粒。當(dāng)微粒撞擊其金屬板時(shí)，微粒會(huì)汽化并帶有電荷，從而方便分析儀揭示這些微粒的化學(xué)性質(zhì)。
人們希望木衛(wèi)二的海洋會(huì)溫和地向太空中釋放噴流，因?yàn)檫@將使木衛(wèi)二快船的探測任務(wù)變得容易得多。木衛(wèi)二上可能存在這樣的羽狀噴流，但不同于土衛(wèi)二，這些噴流可能是間歇性、地域性的，或者壓根就沒有噴流。如果是這樣的話，人們希望微小的隕石撞擊能夠剝離冰殼，釋放出少許海洋成分，并噴射到木衛(wèi)二快船上以供檢測。
結(jié)果可能是，木衛(wèi)二和其他衛(wèi)星在保持溫暖方面依賴的化學(xué)反應(yīng)并不像我們預(yù)期的那樣陌生。索里說道：“在冬天，我們會(huì)撒鹽來降低雪的融點(diǎn)?！?strong>也許，木衛(wèi)二的海洋鹽度極高，降低了冰點(diǎn)?！安贿^，還有其他化合物能夠更有效地防止凍結(jié) —— 特別是氨?！彼骼镎f道。氨在遠(yuǎn)離太陽光芒，不易被蒸發(fā)的地方儲(chǔ)量更為豐富。
潮汐、輻射能、化學(xué)和年輕：當(dāng)以上要素正確地組合在一起時(shí)，可以在這些冰冷的衛(wèi)星上產(chǎn)生并維持液態(tài)海洋。豪厄特（Howett）認(rèn)為：“上述因素不應(yīng)是非此即彼的?！泵總€(gè)衛(wèi)星所具體具備的因素也許是不同的，也就是說，形成一顆充滿海洋的冰凍衛(wèi)星，或許有數(shù)百種方式。
基韋爾森表示：“木衛(wèi)二秘密海洋的發(fā)現(xiàn)誠然改變了人們對衛(wèi)星的看法?！贝偈箍茖W(xué)界踏上了一條確定外星生命是否可能存在于外星海洋中的探索之路。并且，可能帶來一項(xiàng)新的發(fā)現(xiàn)，永遠(yuǎn)改變我們對于人類在宇宙中的定位的看法。
作者：Robin George Andrews
翻譯：邊穎
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原文鏈接：These Moons Are Dark and Frozen. So How Can They Have Oceans?
本文來自微信公眾號(hào)：中科院物理所（ID：cas-iop），作者：R. G. Andrews
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