重大發(fā)現(xiàn)，這個(gè)星球可能存在生命 | 地球知識(shí)局 環(huán)球速遞

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NO.2489-目標(biāo)土衛(wèi)二

文字：行星不發(fā)光

校稿：辜漢膺 / 編輯：蛾

2022年10月，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)郝記華團(tuán)隊(duì)通過(guò)計(jì)算模型模擬了土衛(wèi)二地下海洋的化學(xué)成分，首次揭示了土衛(wèi)二海水中可能含有豐富的磷元素。

2023年5月17日，Villanueva等人利用詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（JWST）對(duì)土衛(wèi)二進(jìn)行觀測(cè)，研究結(jié)果表明土衛(wèi)二噴出的羽流長(zhǎng)達(dá)10000km，約為土衛(wèi)二直徑的20倍（如圖2）。

土衛(wèi)二有機(jī)分子和冰粒進(jìn)入羽流的過(guò)程

（圖：NASA/JPL）▼

羽流的主要成分為水蒸氣，其中噴射到空間中的物質(zhì)中大約30%進(jìn)入土星的E環(huán)，70%則散布在土星系統(tǒng)的其他位置。

2023年6月14日，《自然》雜志發(fā)表了關(guān)根康仁團(tuán)隊(duì)的研究結(jié)果。該研究分析了卡西尼號(hào)探測(cè)器收集的土星E環(huán)中粒子的化學(xué)成分，發(fā)現(xiàn)E環(huán)中的冰粒富含磷酸鈉，并估計(jì)土衛(wèi)二地下海洋的磷濃度約為1-20 mmol/kg，至少是地球海洋磷濃度的100倍。

卡西尼號(hào)的宇宙塵埃顆粒分析儀通過(guò)對(duì)9個(gè)單冰粒的分析，獲得了它們的光譜圖。圖中右下為疊加后的光譜圖，在鈉鹽和磷酸鹽對(duì)應(yīng)的位置存在明顯峰值，表明E環(huán)中含有豐富的磷元素。

(圖:Yasuhitoet al2023)▼

隨著土衛(wèi)二上磷元素的發(fā)現(xiàn)，行星科學(xué)家和大眾開始重新關(guān)注這顆冰冷的衛(wèi)星。土衛(wèi)二在如此冰冷的環(huán)境中為什么會(huì)存在液態(tài)水海洋？土衛(wèi)二上磷酸鹽的發(fā)現(xiàn)意味著什么？

此外，目前人類對(duì)土衛(wèi)二的了解來(lái)自哪里？科學(xué)家對(duì)可能存在地外生命的行星的關(guān)注，是否會(huì)產(chǎn)生進(jìn)一步的探測(cè)計(jì)劃？

土衛(wèi)二，長(zhǎng)這樣（圖：wiki）▼

目前，人類對(duì)土星系統(tǒng)的認(rèn)知主要來(lái)自于卡西尼-惠更斯號(hào)（Cassini-Huygens）。該太空探測(cè)器的任務(wù)是由美國(guó)宇航局（NASA）、歐洲宇航局（ESA）和意大利宇航局（ASI）合作執(zhí)行的。

卡西尼-惠更斯號(hào)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(hào)和惠更斯號(hào)分離。

次年1月14日，惠更斯號(hào)成功著陸土衛(wèi)六，并傳回?cái)?shù)據(jù)。而卡西尼號(hào)則在軌運(yùn)行了13年，傳回了大量數(shù)據(jù)，是人類目前了解土星系統(tǒng)的主要信息來(lái)源。

卡西尼-惠更斯號(hào)發(fā)射（圖：wiki）▼

卡西尼在軌的13年間，傳回了大量的數(shù)據(jù)資料，目前行星科學(xué)家仍未分析完其傳回的數(shù)據(jù)。下面我們來(lái)簡(jiǎn)單梳理一下人類對(duì)土衛(wèi)二的不斷認(rèn)識(shí)過(guò)程：

1.1980年11月，旅行者1號(hào)發(fā)現(xiàn)土衛(wèi)二位于土星E環(huán)密度最高的位置；

2.1981年8月，旅行者2號(hào)發(fā)現(xiàn)土衛(wèi)二表面既存在古老的撞擊坑，又存在年輕的地貌構(gòu)造；

土衛(wèi)二上的破損撞擊坑（圖：wiki）▼

3.2005年2月，卡西尼號(hào)的宇宙塵埃分析儀記錄了數(shù)千次來(lái)自微小塵?；虮５淖矒簦C實(shí)了E環(huán)是由冰粒組成的寬環(huán)；

土衛(wèi)二與土星E環(huán)（圖：NASA）▼

4.2005年7月，卡西尼號(hào)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(dòng)，并發(fā)現(xiàn)了巨大且溫度較高的裂縫，也被稱為“虎紋”。

卡西尼號(hào)在12-16微米波段觀測(cè)到的熱成像圖

土衛(wèi)二南極地區(qū)存在四條溫度明顯較高的裂縫

（圖：NASA/JPL/GSFC/SSI）▼

5.2006年，卡西尼對(duì)土星的E環(huán)進(jìn)行了觀測(cè)，證明了土衛(wèi)二上的間歇泉噴射的物質(zhì)是E環(huán)的主要物質(zhì)來(lái)源。同年，卡西尼的高分辨率圖像結(jié)合其他數(shù)據(jù)推測(cè)土衛(wèi)二南極地下存在液態(tài)水海洋。

6.2007年10月，卡西尼號(hào)搭載的復(fù)合紅外光譜儀獲得數(shù)據(jù)表明幾乎所有間歇泉均來(lái)自土衛(wèi)二南極溫度較高的四條裂紋附近。

土衛(wèi)二南極地區(qū)間歇泉的形成

（示意圖，圖：NASA）▼

7.2008年3月，卡西尼號(hào)上的離子與中性粒子質(zhì)譜儀（Ion and Neutral Mass Spectrometer, INMS）對(duì)土衛(wèi)二的羽流進(jìn)行分析后，檢測(cè)到了水蒸氣、二氧化碳、一氧化碳和有機(jī)分子

(大多為低于50原子質(zhì)量單位的簡(jiǎn)單有機(jī)化合物)。

8.2008年8月，卡西尼號(hào)精確地定位了羽流從土衛(wèi)二表面噴發(fā)的位置。圖像顯示土衛(wèi)二表面的裂縫深約300 m，內(nèi)壁呈V形，在裂縫外側(cè)有大量細(xì)小物質(zhì)的沉積物和數(shù)十米大小的冰塊。同年12月，發(fā)現(xiàn)土衛(wèi)二更多的地質(zhì)活動(dòng)，如冰殼的定向擴(kuò)散。

土衛(wèi)二的裂縫橫截面結(jié)構(gòu)示意圖

（圖：NASA/JPL）▼

9.2009年6月，卡西尼號(hào)在土星最外層環(huán)的冰粒中檢測(cè)到了鈉鹽。同年9月，在羽流中發(fā)現(xiàn)了氨。

10.2010年2月，卡西尼團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)土衛(wèi)地表二壓力最大的區(qū)域與紅外地圖上最熱的區(qū)域并不完全重疊，推測(cè)土衛(wèi)二在自轉(zhuǎn)時(shí)自轉(zhuǎn)軸存在輕微的擺動(dòng)。

土衛(wèi)二噴射出的羽狀物（圖：wiki）▼

11.2014年4月，Less等人利用卡西尼飛掠土衛(wèi)二時(shí)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公里的冰層下存在10公里深的液態(tài)水海洋，地下海洋從南極延伸至中南緯度地區(qū)，其含水量相當(dāng)于一個(gè)蘇必利爾湖。

同年7月，發(fā)現(xiàn)土衛(wèi)二表面上的101個(gè)間歇泉與其地下海洋相連接，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(hào)的宇宙塵埃分析儀數(shù)據(jù)表明富含硅的微小巖石顆粒是土衛(wèi)二中溶解了礦物質(zhì)的熱水向上運(yùn)動(dòng)與較冷的水接觸時(shí)形成的。

土衛(wèi)二表面的間歇泉（想象圖，圖：NASA）▼

13.2016年，科學(xué)家利用卡西尼號(hào)七年的觀測(cè)數(shù)據(jù)精確地確定了土衛(wèi)二的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，并推測(cè)土衛(wèi)二冰層下存在全球液態(tài)水海洋而非局部極地液態(tài)水海洋。

14.2017年4月，卡西尼的離子和中性質(zhì)譜儀在土衛(wèi)二的羽流中檢測(cè)到大量的氫，大量的氫氣表明土衛(wèi)二存在連續(xù)的加熱過(guò)程。

同年9月，為了避免可能附著有地球的微生物污染土星衛(wèi)星環(huán)境，卡西尼號(hào)主動(dòng)墜入土星大氣，燃燒殆盡。

卡西尼號(hào)的隕落（想象圖，圖：NASA）▼

15.2017年11月，法國(guó)南特大學(xué)的行星科學(xué)家蓋爾·喬布雷特團(tuán)隊(duì)利用卡西尼號(hào)航天器返回的數(shù)據(jù)和在地球上的工程實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)土衛(wèi)二的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和液態(tài)水循環(huán)進(jìn)行了模擬，解釋了土衛(wèi)二南極地區(qū)的羽流現(xiàn)象。

卡西尼號(hào)穿越土衛(wèi)二的羽流（圖：NASA）▼

16.2018年，Postberg等人分析了卡西尼號(hào)的宇宙塵埃顆粒分析儀對(duì)土衛(wèi)二羽流的探測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了較復(fù)雜的高分子有機(jī)化合物（分子質(zhì)量超過(guò)200原子質(zhì)量單位）。

目前，行星科學(xué)家不僅確定了土衛(wèi)二上具備了構(gòu)成生命六大基本元素——碳、氫、氧、氮、硫和磷，而且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(yáng)系中最可能存在生命的天體之一。

土衛(wèi)二夜空想象圖（圖：wiki）▼

土衛(wèi)二（Enceladus）是土星第六大的衛(wèi)星，距離土星由近及遠(yuǎn)排序位居第14。

1789年8月，威廉·赫歇爾首次通過(guò)1.2m的望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的第二顆土星衛(wèi)星，故被稱為土衛(wèi)二，其平均直徑約為505公里，相對(duì)較小。

他也是天王星的發(fā)現(xiàn)者（圖：wiki）▼

土衛(wèi)二表面的幾何反照率高達(dá)138%，且其處于太陽(yáng)系的雪線（雪線也叫凍結(jié)線，在天文學(xué)或行星科學(xué)中，是指距離中心原恒星的特定距離，在那里足夠冷，可以讓會(huì)揮發(fā)的化合物，如水、氨、甲烷、二氧化碳和一氧化碳等凝結(jié)成固體冰粒。在太陽(yáng)系中，雪線位于小行星帶和木星軌道之間。）之外，這使其表面的平均夜間溫度僅為-196℃，較其他土星衛(wèi)星更冷。

另一方面，這樣大小的衛(wèi)星通常無(wú)法在內(nèi)部存儲(chǔ)或產(chǎn)生足夠的熱量，所以它本應(yīng)該是一個(gè)完全被凍結(jié)的固體，但土衛(wèi)二并非如此，在寒冷的冰殼下存在液態(tài)水海洋。

土衛(wèi)二與英國(guó)的大小比較（圖：NASA）▼

土衛(wèi)二(Enceladus)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(yùn)動(dòng)時(shí)，由于繞行軌道具有偏心率，土星的引力會(huì)周期性地將土衛(wèi)二“搓扁捏圓”，導(dǎo)致其內(nèi)部受到“擠壓拉扯”而產(chǎn)生大量且持續(xù)的熱能。

此外，由于土衛(wèi)二形狀不規(guī)則，土星引力會(huì)對(duì)其產(chǎn)生一個(gè)凈力矩而迫使土衛(wèi)二發(fā)生擺動(dòng)，這也會(huì)在土衛(wèi)二內(nèi)部產(chǎn)生大量熱，這股熱量主要集中在南極地區(qū)。

科學(xué)家通過(guò)模型模擬了這種引力攝動(dòng)，發(fā)現(xiàn)這種擺動(dòng)的對(duì)應(yīng)的表面最大應(yīng)力范圍正好與南極區(qū)域一致。

熱成像圖中，土衛(wèi)二熱量主要集中在南極地區(qū)

（圖：NASA/JPL）▼

為了更好的解釋土衛(wèi)二的產(chǎn)熱機(jī)制。2017年11月，法國(guó)南特大學(xué)的行星科學(xué)家蓋爾·喬布雷特團(tuán)隊(duì)作出一種假設(shè)——土衛(wèi)二的巖石核心是具有高孔隙率的，且是松軟的，類似海綿狀的核心。它在土星潮汐引力的作用下，會(huì)產(chǎn)生持續(xù)且穩(wěn)定的摩擦熱（潮汐加熱是一個(gè)比較穩(wěn)定的加熱過(guò)程，如果巖石核心的巖漿粘稠，則潮汐引力產(chǎn)生更多的摩擦熱，如果溫度升高，巖石核心的巖漿容易流動(dòng)，潮汐引力產(chǎn)生摩擦熱則減少）。

通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬發(fā)現(xiàn)，其產(chǎn)生的熱量高達(dá)10GW，足夠土衛(wèi)二地下海洋保持液態(tài)持續(xù)數(shù)千萬(wàn)年到十億年。

模擬還表明，核心的兩極應(yīng)該對(duì)應(yīng)冰殼比較薄的區(qū)域。這可以很好地解釋土衛(wèi)二南極地區(qū)的活躍性，但無(wú)法解釋為什么北極沒有類似的羽流。

土衛(wèi)二由于潮汐加熱而產(chǎn)生的間歇泉

（圖：NASA/JPL/SSI）▼

噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）的DennisMatson博士等人認(rèn)為，潮汐加熱仍不足以解釋其可以產(chǎn)生液態(tài)水并形成水蒸氣噴射至太空中，產(chǎn)生和維持卡西尼觀測(cè)到的溫度和噴流過(guò)程需要更多的熱。

他們引進(jìn)了一個(gè)新的模型。該模型認(rèn)為，土衛(wèi)二的熱量來(lái)自于放射性衰變放熱和潮汐加熱。通常認(rèn)為放射性衰變會(huì)在太陽(yáng)系形成后不久就損失掉大部分熱量，土衛(wèi)二由于某種原因保留了這些熱量。該模型還預(yù)言了土衛(wèi)二目前仍處于一個(gè)冷卻階段，可能會(huì)持續(xù)十億年左右。

土衛(wèi)二表面的紋理（圖：NASA）▼

磷元素是遺傳物質(zhì)DNA/RNA、儲(chǔ)能化合物三磷酸腺苷/ATP和細(xì)胞膜的重要成分之一。而土衛(wèi)二上發(fā)現(xiàn)磷元素，補(bǔ)齊了生命存在所需的最后一塊拼圖。這意味著土衛(wèi)二具備幾乎所有生命存在所必需的條件。

更重要的是，土衛(wèi)二地下液態(tài)水海洋中富含可溶解的磷，這很容易孕育生命。目前，研究估計(jì)土衛(wèi)二液態(tài)水海洋中磷元素的濃度是地球海洋的100-1000倍。磷元素在水體中的濃度影響著生物的生長(zhǎng)和繁殖，例如富營(yíng)養(yǎng)化的湖泊會(huì)導(dǎo)致藻類大量繁殖。

比如Landsat8拍攝的圣克萊爾湖衛(wèi)星圖像

圖中充滿了大量的綠色藻類（圖：NASA）▼

在地球的海洋中，正是由于大量的生物存在，使得海洋中的磷被消耗到一個(gè)很低的濃度；如果土衛(wèi)二上真的存在生命，那么為什么其液態(tài)水海洋中的磷含量如此高？

這或許暗示土衛(wèi)二上根本就沒有生命，或者生命只能以非常緩慢的速度代謝。

然而，這種磷含量如此高的液態(tài)水海洋對(duì)于任何潛在的外來(lái)生物都是一個(gè)好消息，未來(lái)或許也是人類最好的中轉(zhuǎn)站或補(bǔ)給站之一。

土衛(wèi)二的結(jié)構(gòu)，如圖所示

（圖：Jihua Hao, et al. 2022）▼

需要注意的是，探測(cè)到的磷酸鹽來(lái)自土星的E環(huán)，并非直接來(lái)自于土衛(wèi)二的羽流或者土衛(wèi)二地表。盡管基本可以確認(rèn)土衛(wèi)二地下液體水海洋存在磷酸鹽，但我們?nèi)孕璞３种?jǐn)慎。

未來(lái)，如果有新的探測(cè)器對(duì)土衛(wèi)二進(jìn)行抵近探測(cè)和采樣研究，不僅可以驗(yàn)證土衛(wèi)二地?zé)釞C(jī)制，而且能確認(rèn)土衛(wèi)二地下液態(tài)水海洋是否存在生命。這對(duì)尋找地外生命具有重要意義。

土衛(wèi)二和地球、月球的大小（圖：wiki）▼

在太陽(yáng)系中，包括但不限于金星、火星、土衛(wèi)二，土衛(wèi)六和木衛(wèi)二等，都是可能存在地外生命的天體。

在火星上發(fā)現(xiàn)了水，行星科學(xué)家便開展了毅力號(hào)火星探測(cè)任務(wù)；在金星上發(fā)現(xiàn)了磷化氫分子，行星科學(xué)家便設(shè)計(jì)了達(dá)芬奇號(hào)探測(cè)器（DAVINCI+）、金星-D任務(wù)和VERITAS任務(wù)等。

探索無(wú)止盡（圖：NASA）▼

如今，在土衛(wèi)二上發(fā)現(xiàn)了可被生命吸收的磷酸鹽，而對(duì)應(yīng)的探測(cè)計(jì)劃尚未提上日程。在行星科學(xué)家的“新歡舊愛”中，唯一不變的就是他們探索和研究地外生命的執(zhí)著。

盡管卡西尼號(hào)退役后，還沒有后繼者，但“冰月計(jì)劃”JUICE已于2023年4月14日發(fā)射，其主要任務(wù)目標(biāo)是探測(cè)木星系統(tǒng)，包括但不限于木衛(wèi)二、木衛(wèi)三和木衛(wèi)四的地下液態(tài)水海洋。

“冰月計(jì)劃”Juice號(hào)探測(cè)器的行程計(jì)劃

（圖：EAS）▼

土衛(wèi)二和木衛(wèi)二具有類似的環(huán)境，對(duì)木衛(wèi)二的探測(cè)，將有助于人類了解這些冰衛(wèi)星地下液態(tài)水海洋，以及是否存在地外生命。

參考資料：

1.Villanueva G. L., Hammel H. B., Milam S. N., et al. JWST molecular mapping and characterization of Enceladus’ water plume feeding its torus. Nature Astronomy, 2023

2.Frank P., Yasubito S., Fabian., et al. Detection of phosphates originating from Enceladus’s ocean. Nature, 2023. DOI:10.1038/s41586-023-05987-9.

3.Hao J. H., Christopher R. G., et al. Abundant phosphorus expected for possible life in Enceladus’s ocean. Earth, Atmospheric, and Planetary Sciences. 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)容為作者提供，不代表地球知識(shí)局立場(chǎng)

封面：壹圖網(wǎng)

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