03.03 現在的科學對土衛二的瞭解有多少?

西芒


土星的小衛星土衛二是一個絕非尋常的天體。它細膩的冰殼表面上有著婉蜓的山脊和佈滿裂隙的平原,幾乎看不到隕擊坑。整個土衛二上散佈著新近的冰質物質。

2005年,“卡西尼”號飛船在土衛二上發現了冰火山活動。最壯觀的是,這包括了101口位於其南極的活躍間歇泉,噴出物高達500千米,它們可能是由類似於木衛二和木衛一上的潮汐力所驅動的。這些間歇泉從土衛二南極的裂縫中噴出,那裡的溫度可高達-93℃,比周圍環境高出約108℃。

在多次飛過噴出羽狀物的過程中,“卡西尼”探測發現其90%為水蒸氣,其餘則為二氧化碳、甲烷、乙炔、丙烷、一氧化碳、氮分子以及少量相當複雜的富碳分子。在土衛二的冰殼之下正在發生一些複雜的化學反應。除了所有這些化學成分之外,噴出羽狀物的冰粒中還含有氯化鈉和其他鹽。這些羽狀噴發似乎正在把土衛二內部含鹽冰顆粒輸送到外部。這些物質可能來自於一個久已消失海洋的殘餘,但更有可能的是這些鹹水目前就存在於其表面之下不遠處,它們會被時不時地噴射出來。

鑑於土衛二具有無害的輻射環境,它將是未來實地探測的理想目的地。你不必為飛船裝上60釐米厚的鉛板來保護自己。只需採取適當的防護,無人探測器就能在那裡自如地工作,探測有機分子並檢測它們的手性。手性是生命的重要特徵。大多數複雜的分子都具有手性,這意味著它們具有互為鏡像的兩種形式。地球上的所有生命都使用左手性的氨基酸;科學家們認為別處的生命也會同樣對某一手性的分子有強烈的偏好。

此外,和木衛二相比,在土衛二上鑽探將不會是個大問題。無論在其地下的海洋中有什麼,都是可探查的。所需要做的就是在它表面著陸,然後尋找和嗅探。在這裡,你可以看到一些極為古老的區域,它們在過去的10億年裡幾乎沒有發生過變化;另一些則是非常年輕的區域,地質活動的時間甚至還不到1周。

事實上,土衛二的有關發現是在太陽系中搜尋地外生命的一個轉折點。在最近的地質時期,外行星的衛星仍處於活躍狀態對於科學家們來說是一個巨大的啟示。儘管旅行者探測器已經向我們展現了木衛一上的火山活動,開闢了新的可能性,但隨著“卡西尼”探測到土衛二的活動,這才真正地改變了我們已有的認識,開始意識到這樣的事情是可能的。


天馬行文


除大小質量等基本參數之外,我們對土衛二的瞭解還非常稀少,但我們已經知道,土衛二是除了地球以外,目前已知的,唯一能夠同時滿足生命所有基本要求的天體。

土衛二的羽毛,由美國宇航局的卡西尼號太空船拍攝。

圖片來源:NASA / JPL-Caltech /空間科學研究所生活的基本要求


目前,NASA已經在土衛二表面裂縫噴出的水狀羽狀物中發現了富含碳的有機分子。這一發現增強了土衛二中可能存在生命的概率,讓它成為在太陽系中尋找地外生命的最佳位置。


土衛二的羽狀物是由NASA的卡西尼號太空船發現的,這些羽狀物的來源是一種鹼性和溫和的地下海洋,卡西尼號曾多次飛過羽狀物,用宇宙塵埃分析儀和離子和中性質譜儀儀器“品嚐”它們。


在6月28日出版的“自然”雜誌上發表的新結果中,科學家們發現,卡西尼號檢測到了大而複雜的有機分子。此前,在羽流中只發現過非常簡單的有機分子,如甲醇。


有機分子是由碳原子的長鏈構成的,是生物分子的主要成分,生物分子是生命存在的基礎,當然,存在有機分子並不一定意味著土衛二上就一定存在生命,有機分子也可以通過涉及水和岩石之間相互作用的地質化學過程形成。


為了確定有機分子是如何形成的,確定它們的具體成分是確定它們起源的關鍵,但卡西尼號於1997年離開地球,那時候沒有人能想到,它需要分析複雜的有機分子,同時也沒有想到會發現羽流現象。因此,它的儀器不是為羽流採樣或區分複雜的有機分子而設計的。而且,在那時候,也沒人知道,土衛二居然是除了地球以外唯一能夠同時滿足生命所有基本要求的天體,它有足夠的熱量,有還原性的氫,液態水以及有機分子和鹽等。


圖示:藝術家所繪的土衛二橫截面,顯示其冰冷的地殼,地下海洋和岩石核心。羽狀物來自土衛二南極附近的“虎紋”裂縫。 圖片來源:NASA / JPL-Caltech未來的任務

由於卡西尼潛入土星大氣層,已於2017年9月結束其使命,科學家們現在正設計專用於研究羽流的儀器,並期望能得到一個前往土衛二的新任務。甚至還期望能發射可以返回的飛船,將樣品送回地球進行詳細檢查,以真正瞭解在土衛二上發生的各種化學過程,目前,我們對土衛二的瞭解,依然稀少,只是冰山一角。


裸猿的故事


自從美國宇航局卡西尼號探測器進入土星系並開始研究它的衛星以來,土衛二一直在吸引著人們的關注。自從探測器探測到從月球南極極地地區噴出的水和有機分子,科學家就開始推測,土衛二的內部可能擁有一個溫暖的海洋——就像木星的衛星歐羅巴和我們太陽系的其他星體一樣。

在未來,美國宇航局希望再派出一個進一步探索這些羽流和土衛二的內部的任務。 這個任務可能包括美國宇航局最近宣佈的一種新的儀器,它被稱為亞毫米天文生命基礎儀器(SELFI)。 這個由NASA戈達德太空飛行中心的小組提出的儀器最近得到了進一步發展的支持。

在卡西尼號探測土星系之前,科學家們一直認為土衛二的表面是凍結的。然而,卡西尼的數據顯示,衛星的軌道有輕微的擺動,表明它存在一個內部海洋。 就像木衛二一樣,這是由潮汐力引起的,這種潮汐力導致巖芯彎曲,從而產生足夠的熱量來保持內部的液態水。在南極附近,這導致冰層裂開,並形成了裂縫。

卡西尼號還發現了從大約100個不同的裂縫發出的羽流,這些裂縫不斷將冰粒,水蒸氣,二氧化碳,甲烷和其他氣體噴入太空。為了更深入地研究這些問題,美國宇航局一直在野心勃勃地開發一些儀器,這些儀器將依靠毫米波或射頻(RF)波來確定羽流的組成,並更多地瞭解土衛二的內部海洋。


深空電報


土衛二是一顆尺寸相對較小的衛星,其平均半徑大約為252千米(月球的平均半徑約為1737千米),在土星的六十多顆天然衛星中位列第六。這顆行星的個頭較小,其外觀呈現為扁平的橢球形。土衛二最早由英國天文學家威廉·赫歇爾在18世紀末發現。直到20世紀80年代,旅行者1號和2號造訪土星的時候,首次發現了土衛二的許多構造特徵,其中包括陡坡、山脊、溝坎和凹槽。其表面的一些裂縫長達200千米,寬5-10千米,深達1千米。土衛二的獨特之處在於它那幾乎100%的反照率,這意味著它幾乎能反射出所有的入射光。土衛二的外觀呈現白色,表面還帶有藍色的“虎皮條紋”。

在兩艘旅行者號太空飛船造訪土星之前,我們對土衛二知之甚少,因為土衛二實在太小了,即便在最強大的望遠鏡看來也只是一個微弱的小亮點。探測器飛掠土星並進行拍照和測量,科學家獲得了關於土衛二的大量信息。其中值得注意的是,土衛二的一些平原幾乎沒有任何隕石坑。

土衛二表面的地質年齡範圍較廣,有些地區的年齡大約只有1億年。在21世紀初探測土星的卡西尼太空探測器發現,土衛二具有地質活動性。卡西尼號在土衛二上發現了水蒸氣噴發的現象(冰火山),其熱量可能來自該天體內部的放射性衰變,表明土衛二的地質活動較為活躍。

土衛二可能是土星外環(E環)中的冰粒的主要來源。根據分析,土衛二的冰火山活動導致了這種現象,並形成了顯著的“虎皮條紋”。由於土衛二的尺寸和質量較小,其表面逃逸速度僅為0.239千米/秒(860千米/小時),所以如果土衛二表面發生強烈噴發,則會導致這些噴流進入太空中,成為土星光環的一部分。


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