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NO.2489-目標(biāo)土衛(wèi)二

文本：行星不發(fā)光

校對：顧寒英/編輯：莫

2022年10月，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郝繼華團隊通過計算模型模擬了土衛(wèi)二地下海洋的化學(xué)成分，首次揭示土衛(wèi)二海水可能富含磷。 2023年5月17日，維拉紐瓦等人使用詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（JWST）觀測土衛(wèi)二。結(jié)果顯示，土衛(wèi)二噴出的羽流長達(dá)1萬公里，約為土衛(wèi)二直徑的20倍。 （如圖2所示）。

有機分子和冰粒進入土衛(wèi)二羽流的過程

（圖片來源：NASA/JPL）

羽流的主要成分是水蒸氣。噴射到太空的物質(zhì)大約有30%進入土星的E環(huán)，70%則分散在土星系統(tǒng)的其他位置。 2023年6月14日，《自然》雜志發(fā)表了Sekine Yasuhito團隊的研究成果。研究分析了卡西尼號探測器收集到的土星E環(huán)中顆粒的化學(xué)成分，發(fā)現(xiàn)E環(huán)中的冰顆粒富含磷酸鈉，并估計土衛(wèi)二地下海洋中的磷濃度約為1-20毫摩爾/小時。 kg，至少是地球海洋中磷濃度的100 倍。

卡西尼號的宇宙塵埃粒子分析儀分析了九個單個冰粒子以獲得它們的光譜。圖的右下側(cè)顯示了疊加的光譜。在鈉鹽和磷酸鹽對應(yīng)的位置有明顯的峰，表明E環(huán)含有豐富的磷元素。

（圖：Yasuhito et al2023）

隨著土衛(wèi)二上磷的發(fā)現(xiàn)，行星科學(xué)家和公眾開始重新關(guān)注這顆冰冷的衛(wèi)星。為什么土衛(wèi)二在如此冰冷的環(huán)境下仍擁有液態(tài)水海洋？土衛(wèi)二上磷酸鹽的發(fā)現(xiàn)意味著什么？此外，人類目前對土衛(wèi)二的認(rèn)識從何而來？科學(xué)家對可能存在外星生命的行星的關(guān)注是否會導(dǎo)致進一步的探索計劃？

土衛(wèi)二長這個樣子（圖片：wiki）

卡西尼號探測器與土衛(wèi)二目前，人類對土星系統(tǒng)的認(rèn)識主要來自于卡西尼-惠更斯號。該太空探測器的任務(wù)是美國宇航局、歐洲航天局（ESA）和意大利航天局（ASI）之間的合作?？ㄎ髂?惠更斯號于1997年10月15日發(fā)射升空，2004年7月抵達(dá)土星軌道。同年12月25日，卡西尼號與惠更斯號分離。次年1月14日，惠更斯號成功登陸土衛(wèi)六并傳回數(shù)據(jù)?？ㄎ髂崽栆言谲夁\行13年，返回了大量數(shù)據(jù)。它是目前人類了解土星系統(tǒng)的主要信息來源。

卡西尼-惠更斯號發(fā)射（圖片：wiki）

卡西尼號在軌運行13年期間發(fā)回了大量數(shù)據(jù)，行星科學(xué)家尚未完成對其發(fā)回數(shù)據(jù)的分析。我們簡單回顧一下人類不斷認(rèn)識土衛(wèi)二的過程： 1、1980年11月，航海家一號發(fā)現(xiàn)土衛(wèi)二位于土星E環(huán)最密集的位置； 2、1981年8月，航海者二號發(fā)現(xiàn)土衛(wèi)二的表面既有古老的撞擊坑，也有年輕的地貌；

土衛(wèi)二上受損的撞擊坑（圖片：wiki）

3. 2005年2月，卡西尼號宇宙塵埃分析儀記錄了數(shù)千次微小塵?；虮５淖矒?，證實E環(huán)是一個由冰粒組成的寬環(huán)；

土衛(wèi)二和土星的E環(huán)（圖片來源：NASA）

4. 2005年7月，卡西尼號獲得了土衛(wèi)二南極地區(qū)的圖像。圖像顯示其表面存在活躍的地質(zhì)活動，并發(fā)現(xiàn)了大而溫暖的裂縫，也稱為“虎紋”。

卡西尼號在12-16微米波段觀測到的熱成像圖像

土衛(wèi)二南極地區(qū)有4處溫度明顯升高的裂縫

（圖片來源：NASA/JPL/GSFC/SSI）

5、2006年，卡西尼號觀測了土星的E環(huán)，證明土衛(wèi)二上間歇泉噴出的物質(zhì)是E環(huán)的主要物質(zhì)來源。同年，卡西尼號的高分辨率圖像結(jié)合其他數(shù)據(jù)推測土衛(wèi)二南極下方存在液態(tài)水海洋。 6. 2007年10月，卡西尼號上的復(fù)合紅外光譜儀獲得的數(shù)據(jù)表明，幾乎所有間歇泉都來自土衛(wèi)二南極溫度較高的4條裂縫。

土衛(wèi)二南極地區(qū)間歇泉的形成

（示意圖，照片：NASA）

7. 2008年3月，卡西尼號上的離子和中性質(zhì)譜儀（INMS）分析了土衛(wèi)二的羽流，檢測到水蒸氣、二氧化碳、一氧化碳和有機物。分子（主要是小于50 個原子質(zhì)量單位的簡單有機化合物）。 8. 2008年8月，卡西尼號精確定位了土衛(wèi)二表面噴發(fā)羽流的位置。圖像顯示，土衛(wèi)二表面裂縫深約300米，內(nèi)壁呈V形。裂縫外側(cè)沉積了大量的細(xì)小物質(zhì)和數(shù)十米大小的冰塊。同年12月，土衛(wèi)二上發(fā)現(xiàn)了更多地質(zhì)活動，例如冰殼的定向擴散。

土衛(wèi)二裂縫剖面結(jié)構(gòu)示意圖

（圖片來源：NASA/JPL）

9. 2009年6月，卡西尼號在土星最外環(huán)的冰粒中檢測到鈉鹽。同年9月，在羽流中發(fā)現(xiàn)了氨。 10. 2010年2月，卡西尼號小組發(fā)現(xiàn)土衛(wèi)二表面壓力最高的區(qū)域與紅外地圖上最熱的區(qū)域并不完全重疊。據(jù)推測，土衛(wèi)二自轉(zhuǎn)時其自轉(zhuǎn)軸會發(fā)生輕微振蕩。

從土衛(wèi)二噴出的羽流（圖片：wiki）

11. 2014年4月，Less和其他人利用卡西尼號飛越土衛(wèi)二的多普勒頻移數(shù)據(jù)繪制了其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。研究結(jié)果表明，土衛(wèi)二在30-40公里的冰層下有一個10公里深的液態(tài)水海洋。地下海洋從南極洲一直延伸到中南緯度地區(qū)，其含水量相當(dāng)于蘇必利爾湖。同年7月，人們發(fā)現(xiàn)土衛(wèi)二表面的101個間歇泉與其地下海洋相連。這些間歇泉為研究地下海洋的宜居性提供了樣本。 12. 2015年3月，卡西尼號宇宙塵埃分析儀的數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)土衛(wèi)二中含有溶解礦物質(zhì)的熱水向上移動并與較冷的水接觸時，形成了微小的富含硅的巖石顆粒。

土衛(wèi)二表面的間歇泉（想象，圖片：NASA）

13、2016年，科學(xué)家利用卡西尼號七年的觀測數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確確定了土衛(wèi)二的自轉(zhuǎn)狀態(tài)，推測土衛(wèi)二冰層下存在全球性的液態(tài)水海洋，而不是局部的極地液態(tài)水海洋。 14. 2017年4月，卡西尼號離子和中性質(zhì)譜儀在土衛(wèi)二羽流中檢測到大量氫。大量的氫氣表明土衛(wèi)二上存在持續(xù)的加熱過程。同年9月，為了防止地球上可能附著的微生物污染土星衛(wèi)星的環(huán)境，卡西尼號自愿墜入土星大氣層并燃燒殆盡。

卡西尼號的墜落（想象圖，圖片：NASA）

15、2017年11月，法國南特大學(xué)行星科學(xué)家Gael Jobret團隊利用卡西尼號飛船傳回的數(shù)據(jù)和地球上的工程實驗數(shù)據(jù)，對土衛(wèi)二內(nèi)部結(jié)構(gòu)和液態(tài)水循環(huán)進行研究。進行了模擬來解釋土衛(wèi)二南極地區(qū)的羽流現(xiàn)象。

卡西尼號穿過土衛(wèi)二的羽流（照片：NASA）

16、2018年，Postberg等人分析了卡西尼號宇宙塵埃粒子分析儀對土衛(wèi)二羽流的探測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了相對復(fù)雜的高分子有機化合物（分子量超過200原子質(zhì)量單位）。目前，行星科學(xué)家不僅確定土衛(wèi)二擁有生命六種基本元素——碳、氫、氧、氮、硫、磷，而且還擁有適合生命存在的地下液態(tài)水海洋。因此，土衛(wèi)二成為太陽系中最有可能孕育生命的天體之一。

土衛(wèi)二夜空想象圖（圖片：wiki）

土衛(wèi)二是土星的第六大衛(wèi)星，也是距離土星距離排序第十四大的衛(wèi)星。 1789年8月，威廉·赫歇爾通過1.2m望遠(yuǎn)鏡首次發(fā)現(xiàn)了第二顆土星衛(wèi)星。因此，它被稱為土衛(wèi)二。它的平均直徑約為505公里，相對較小。

他也是天王星的發(fā)現(xiàn)者（圖片：wiki）

土衛(wèi)二表面的幾何反照率高達(dá)138%，位于太陽系的雪線處（雪線也稱為冰凍線，在天文學(xué)或行星科學(xué)中是指距太陽系中心的特定距離）原恒星的溫度足夠低，可以使水、氨、甲烷、二氧化碳和一氧化碳等揮發(fā)性化合物凝結(jié)成固體冰顆粒。在太陽系中，雪線位于小行星帶和木星軌道之外。它的表面夜間平均溫度僅為196C，比其他土星衛(wèi)星要冷。另一方面，這種大小的衛(wèi)星通常無法在內(nèi)部儲存或產(chǎn)生足夠的熱量，因此它會是完全凍結(jié)的固體，但土衛(wèi)二的情況并非如此，它冰冷的外殼下有液態(tài)水海洋。

土衛(wèi)二和英國的大小對比（圖片來源：NASA）

土衛(wèi)二上存在地下液態(tài)水海洋的主要原因是潮汐加熱。當(dāng)土衛(wèi)二繞土星運行時，由于其軌道的偏心率，土星的引力會周期性地將土衛(wèi)二“壓扁、變圓”，導(dǎo)致其內(nèi)部被“擠壓和拉扯”，產(chǎn)生大量的連續(xù)振動。熱能。另外，由于土衛(wèi)二的形狀不規(guī)則，土星的引力會對其產(chǎn)生凈力矩，迫使土衛(wèi)二擺動。這也會在土衛(wèi)二內(nèi)部產(chǎn)生大量熱量，主要集中在南極地區(qū)?？茖W(xué)家通過模型模擬了這種重力擾動，發(fā)現(xiàn)這次擺動對應(yīng)的地表最大應(yīng)力范圍恰好與南極地區(qū)一致。

熱成像圖中，土衛(wèi)二的熱量主要集中在南極地區(qū)

（圖片來源：NASA/JPL）

為了更好地解釋土衛(wèi)二的產(chǎn)熱機制。 2017年11月，法國南特大學(xué)行星科學(xué)家Gael Jobret團隊假設(shè)，——土衛(wèi)二的巖石核心具有高孔隙率、柔軟、海綿狀的核心。在土星潮汐重力的影響下，會產(chǎn)生持續(xù)穩(wěn)定的摩擦熱（潮汐加熱是一個相對穩(wěn)定的加熱過程。如果巖石核心的巖漿是粘性的，潮汐重力會產(chǎn)生更多的摩擦熱。如果溫度上升，巖心內(nèi)的巖漿容易流動，潮汐重力產(chǎn)生的摩擦熱減少）。通過計算機模擬發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生的熱量高達(dá)10GW，足以讓土衛(wèi)二的地下海洋保持液態(tài)數(shù)千萬至數(shù)十億年。模擬還表明，核心的兩極應(yīng)該對應(yīng)于冰殼較薄的區(qū)域。這將在很大程度上解釋土衛(wèi)二南極地區(qū)的活動，但不能解釋為什么北極沒有類似的羽流。

土衛(wèi)二上潮汐加熱產(chǎn)生的間歇泉

（圖片來源：NASA/JPL/SSI）

噴氣推進實驗室（JPL）的丹尼斯·馬特森博士和其他人認(rèn)為，潮汐加熱仍然不足以解釋它可以產(chǎn)生液態(tài)水并形成水蒸氣噴射到太空中。產(chǎn)生和維持卡西尼號觀測到的溫度和噴流所需的過程需要更多的熱量。他們推出了一種新模式。該模型表明土衛(wèi)二的熱量來自放射性衰變熱和潮汐加熱。一般認(rèn)為，太陽系形成后不久，放射性衰變就失去了大部分熱量，而土衛(wèi)二由于某種原因保留了這些熱量。該模型還預(yù)測土衛(wèi)二仍處于可能持續(xù)約十億年的冷卻階段。

土衛(wèi)二表面紋理（圖片來源：NASA）

土衛(wèi)二上發(fā)現(xiàn)磷酸鹽，這意味著什么？磷是遺傳物質(zhì)DNA/RNA、能量儲存化合物三磷酸腺苷/ATP以及細(xì)胞膜的重要成分之一。土衛(wèi)二上磷的發(fā)現(xiàn)完成了生命存在所需的最后一塊拼圖。這意味著土衛(wèi)二幾乎具備生命存在所需的所有條件。更重要的是，土衛(wèi)二的地下液態(tài)水海洋富含可溶性磷，很容易維持生命。目前，研究估計土衛(wèi)二液態(tài)水海洋中磷的濃度是地球海洋的100-1000倍。水中磷的濃度影響生物體的生長和繁殖。例如，富營養(yǎng)化的湖泊會導(dǎo)致藻類大量繁殖。

如Landsat 8拍攝的圣克萊爾湖衛(wèi)星圖像

畫面中長滿了很多綠藻（圖片來源：NASA）

在地球的海洋中，正是由于大量生物的存在，海洋中的磷被消耗到了很低的濃度；如果土衛(wèi)二上確實存在生命，為什么其液態(tài)水海洋中的磷含量如此之高？這可能意味著土衛(wèi)二上根本不存在生命，或者生命只能以非常緩慢的速度新陳代謝。然而，這樣一個磷含量如此之高的液態(tài)水海洋對于任何潛在的外來生物來說都是個好消息，也可能是未來人類最好的中途停留地或補給站之一。

土衛(wèi)二的結(jié)構(gòu)，如圖

（圖片：郝繼華等2022）

值得注意的是，檢測到的磷酸鹽來自土星的E環(huán)，而不是直接來自土衛(wèi)二的羽流或土衛(wèi)二的表面。盡管幾乎可以肯定土衛(wèi)二地下液態(tài)水海洋中存在磷酸鹽，但我們?nèi)匀恍枰３种?jǐn)慎。未來，如果有新的探測器對土衛(wèi)二進行近距離探測和采樣研究，不僅能夠驗證土衛(wèi)二的地?zé)釞C制，還能確認(rèn)土衛(wèi)二地下液態(tài)水海洋中是否存在生命。這對于尋找外星生命具有重要意義。

土衛(wèi)二、地球、月球的大?。▓D片：wiki）

在太陽系中，包括但不限于金星、火星、土衛(wèi)二、土衛(wèi)六和木衛(wèi)二，它們都是可能存在外星生命的天體。在火星上發(fā)現(xiàn)水后，行星科學(xué)家啟動了毅力號火星探測任務(wù)；在金星上發(fā)現(xiàn)磷化氫分子后，行星科學(xué)家設(shè)計了達(dá)芬奇探測器（DAVINCI+）、Venus-D任務(wù)和VERITAS任務(wù)等。

探索永無止境（圖片來源：NASA）

如今，土衛(wèi)二上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了可以被生命吸收的磷酸鹽，但相應(yīng)的探測計劃還沒有提上日程。行星科學(xué)家的“新歡舊愛”中，唯一不變的就是他們對探索和研究外星生命的堅持。雖然卡西尼號退役后無后繼者，但“冰月計劃”JUICE于2023年4月14日啟動，其主要任務(wù)目標(biāo)是探測木星系統(tǒng)，包括但不限于木衛(wèi)二和木衛(wèi)三。和木衛(wèi)四的地下液態(tài)水海洋。

“冰月計劃”果汁探測器行程計劃

（圖片來源：EAS）

土衛(wèi)二和木衛(wèi)二有著相似的環(huán)境。木衛(wèi)二的探測將幫助人類了解這些冰冷衛(wèi)星的地下液態(tài)水海洋以及是否存在外星生命。

參考：

1. Villanueva G. L.Hammel H. B.Milam S. N. 等人。 JWST 土衛(wèi)二環(huán)面水羽流的分子測繪和表征。自然天文學(xué)，2023

2. Frank P.Yasubito S.Fabian. 等人。檢測源自土衛(wèi)二海洋的磷酸鹽。自然，2023。DOI:10.1038/s41586-023-05987-9。

3. 郝建華，Christopher R.G.等。土衛(wèi)二海洋中預(yù)計存在豐富的磷，可能存在生命。地球、大氣和行星科學(xué)。 2022.DOI:10.1073/pnas.2201388119

4. https://solarsystem.nasa.gov/news/12916/cassini-at-enceladus-a-decade-plus-of-discovery/

5. https://www.wikiwand.com/zh-hans/%E5%8D%A1%E8%A5%BF%E5%B0%BC%E5%8F%B7%E6%8E%A2%E6%B5%8B%E5 %99%A8

6.http://news.bbc.co.uk/2/hi/science/nature/4895358.stm#map

7. https://www.nasa.gov/mission_pages/cassini/whycassini/cassini20100708-b.html

8. https://www.jpl.nasa.gov/news/cassini-spacecraft-reveals-101-geysers-and-more-on-icy-saturn-moon

*本文內(nèi)容由作者提供，不代表地球知識局立場

封面：依圖網(wǎng)

結(jié)尾