遥远的卫星上存在冰冷的海洋。 为什么它们没有冻成固体？ | 广达杂志

在人类存在的大部分时间里，地球是唯一已知的被海洋覆盖的世界，似乎与任何其他宇宙岛屿都不同。

但在1979年，美国宇航局的两艘航行者号宇宙飞船飞越了木星。 它的卫星欧罗巴是一个冰冻王国，上面布满了凹槽和裂缝——这暗示着它的表面之下可能存在着某种动态的东西。

“航海者号之后，人们怀疑木卫二很奇怪，可能有海洋，”说 弗朗西斯·尼莫是加利福尼亚大学圣克鲁斯分校的行星科学家。

然后，1996 年，美国宇航局的伽利略号宇宙飞船经过木卫二，并检测到来自内部的奇怪磁场。 “我们不明白那是什么，”说 玛格丽特·基维尔森是加州大学洛杉矶分校的空间物理学家，负责航天器的磁力计。 最终，她和她的团队意识到一种导电液体——月球内部的某种东西——正在对木星巨大的磁场做出反应。 基维尔森说：“唯一有意义的是，冰面下方是否存在一层融化的液体。”

2004年，美国宇航局的卡西尼号宇宙飞船抵达土星。 当它观察土星的小卫星土卫二时，它发现光彩夺目 冰冷的羽毛 从月球南极的巨大裂缝中喷发出来。 当卡西尼号飞过这些喷口时，证据是明确无误的——这是一片咸咸的海洋，正在猛烈地渗入太空。

现在地球上的海洋不再是独一无二的。 他们只是很奇怪。 它们存在于我们星球阳光照射的表面，而外太阳系的海洋则隐藏在冰层之下，沐浴在黑暗中。 这些地下液体海洋似乎是我们太阳系的规则，而不是例外。 除了木卫二和土卫二之外，几乎肯定还存在其他有冰雪覆盖的海洋的卫星。 未来十年，一批航天器将详细探索它们。

所有这些都引发了一个明显的悖论。 这些卫星已经在我们太阳系的寒冷地区存在了数十亿年——足够长的时间，足以让它们产生的余热在亿万年前就已经逃逸到太空中。 现在任何地下海洋都应该是固态的冰。 那么，这些卫星的轨道距离太阳的温暖程度如此之远，怎么今天仍然有海洋呢？

越来越多的证据表明，可能有多种方法可以维持液态水海洋数十亿年。 破译这些秘诀可以加速我们的探索，以确定生命在整个宇宙中出现是容易还是困难。 最新分析 来自旧航天器的数据，加上 NASA 最近的观察 朱诺号宇宙飞船 和 詹姆斯韦伯太空望远镜越来越多的证据表明，这些温暖的海洋含有对生物学有益的化学物质，而且内太阳系并不是生命可能称之为家园的唯一地方。

这些海洋卫星也提供了更大的可能性。 潜在宜居的温带海洋可能是行星形成的必然结果。 行星及其卫星距离其恒星的核篝火有多远可能并不重要。 如果这是真的，那么我们在寻找地球以外生命的过程中可能探索的景观数量几乎是无限的。

“冰冷的卫星下的海洋看起来很奇怪而且不可能，”说 史蒂文·万斯，美国宇航局喷气推进实验室的天体生物学家和地球物理学家。

然而，毫无疑问，这些外星海洋仍然是液态的。

镜面包裹的海洋

科学家怀疑，少数绕木星和土星旋转的卫星——甚至可能还有一些绕天王星和海王星旋转的卫星——拥有海洋。 巨大的木卫三和布满陨石坑的木卫四产生微弱的、类似木卫二的磁信号。 土星被薄雾覆盖的土卫六也很可能拥有液态水的地下海洋。 这些“是社区中大多数科学家都非常有信心的五个，”说 迈克·索里，普渡大学的行星科学家。

到目前为止，唯一绝对的海洋确定性是土卫二。 “这是理所当然的，”说 卡莉·豪伊特，牛津大学的行星科学家。

1980 世纪 XNUMX 年代，一些科学家怀疑土卫二有羽状物； 土星的 E 环是如此干净和闪亮，以至于某种东西——也许来自它的一颗卫星——一定正在泄漏到太空中并不断地刷新它。 在卡西尼号最终目睹了行星装饰魔法的作用后，科学家们短暂地质疑月球的南极羽流是否可能是阳光蒸发月球壳内冰的结果——有点像干冰在受热时沸腾，也许是在阳光的作用下。

“有一段时间，人们对于是否需要有海洋存在争论，”尼莫说。 “真正确定这一点的是当[卡西尼号]飞过羽流时，他们发现了盐——氯化钠。 那是一片海洋。” 这些羽流仍有可能从更小、更孤立的海洋中喷发。 但卡西尼号的进一步观测表明，土卫二的外壳来回晃动如此剧烈，以至于它与月球更深处的内部一定被全球海洋隔开。

羽流还排出氢气和石英，这是深海热液喷口活动的迹象，说 弗兰克·波斯特伯格，柏林自由大学的行星科学家。 在地球上，这样的喷口会产生热量和化学物质，为阳光照射不到的生态系统提供动力，科学家们曾经认为这些生物群落不可能存在于我们依赖光合作用的世界中。

但是什么能够为通风系统提供足够的动力来加热整个海洋呢？ 另一个月亮——这颗炽热的月亮——会提供这些线索。

永恒的地狱潮汐

1979 年 2 月，即航行者 XNUMX 号近距离飞越木卫二的前一个月，科学家们 公布 航海家一号曾瞥见巨大的、伞状的羽状物在木卫一上方的太空中翻滚——这是几座火山喷发的痕迹。

这一观察结果本应令人困惑：火山活动需要内部热源，而木卫一和其他冰冷的卫星一样，应该只不过是余烬。 但几个月前，一个独立的科学家小组正确地预测了 都曾预测 木卫一可能是一个极其活跃的火山世界。

他们的预测基于 轨道舞 木星最大的卫星之一。 木卫一每绕四圈，木卫二绕两圈，木卫三绕一圈。 这种轨道结构被称为共振，导致木卫一来回摆动，使其轨道呈椭圆形。 当艾奥距离木星较近时，木星的引力对它的拉力会更加强烈。 当距离越远时，木星的牵引力就越弱。 永无休止的引力拉锯战使得木卫一的岩石表面 上下移动 100米，相当于30层楼的高度。 这些是潮汐，就像地球一样——只是在固体岩石中，而不是在水中。

这些潮汐在月球内部产生摩擦，从而产生热量。 潮汐加热的强度足以融化木卫一深处的岩石。 “木卫一没有水海洋，但它可能有岩浆海洋，”尼莫说。 （伽利略也在那里发现了由一个 全球地下熔岩储层.)

木卫二也经历了一些潮汐加热。 但这些潮汐使海洋变暖的程度取决于它们发生在月球内的位置。 换句话说，需要有足够的热量到达海洋才能使其保持液态。 尼莫说：“潮汐加热可能发生在冰壳本身，也可能发生在下面的岩石核心。” 科学家们不知道哪个是正确的，因此他们无法确定潮汐加热对木卫二的液态内部有多大贡献。

土卫二也因与邻近的土卫四卫星的引力探戈而被拉伸和挤压。 从理论上讲，这可能会产生使月球内部变暖的潮汐。 但它与土卫四共振产生的潮汐，至少在纸面上，似乎不足以解释它的海洋。 索里说，这些数字还不能发挥作用，产生的热量不足以维持太阳系诞生以来数十亿年的全球海洋。 也许，就像木卫二一样，科学家们不太清楚土卫二内的潮汐在哪里产生热量。

另一个令人困惑的因素是轨道在天文时间内并不是固定的。 随着行星系统的演化，卫星会迁移，“潮汐加热会随着物体在不同共振中的漂移而开启和关闭，”说。 大卫·罗瑟里英国开放大学的行星科学家。 科学家怀疑这种情况发生在米兰达和爱丽儿身上，这两颗天王星卫星可能是以前的舞伴。 这些卫星看起来好像曾经地质活动活跃，但现在却活跃起来 按理说 冻结 到他们的核心。

同样，土卫二可能并不总是有狄俄涅作为它的舞伴：也许它们绕土星旋转的布吉最近才开始，并温暖了之前的固体卫星。 但这种情况也很难解释。 索里说：“保持海洋的周围并对其进行维护，比将其冻结并重新融化要容易得多。” 因此，如果潮汐加热是土卫二海洋的唯一原因，那么月球就是一位已经跳动了数十亿年的老舞者。

目前，关于这颗卫星的海洋唯一确定的是它的存在。 它是如何形成的，以及它今天如何仍然存在，“是真正悬而未决的大问题之一，”索里说。 “土卫二很难弄清楚。”

放射性叛徒 

幸运的是，温暖的月色内部并不完全取决于潮汐。

地球内部热量的一半来自于它的诞生。 其余的来自衰变的放射性元素。 同样，冰冷卫星的岩石丰富的深处应该含有相当数量的铀、钍和钾——这些放射性物质可以在数亿年甚至数十亿年的时间内将周围环境煮熟，然后才会衰变成稳定的元素并停止释放热量。 。

较大的卫星一开始就会储存更丰富的放射性物质。 也许这就是他们的海洋所需要的全部。 万斯说：“对于像木卫三、木卫四和土卫六这样的较大卫星，由于这种放射因素，它们是不可避免的。” 一些科学家甚至认为冥王星 有地下海洋。 与三颗卫星一样，这颗矮行星很可能被足够厚的地壳所隔离，从而减缓了其放射性熔炉向太空的泄漏。

然而，像土卫二这样的小人国卫星中相对较小的心脏并不含有足够的放射性物质，无法让它们保持数十亿年的温暖。 对于这个难题的一个令人不满意的解决方案是，也许土卫二只是运气好：放射性可以解释其海洋过去的早期部分，而它与狄俄涅的共舞则是最近的一段。 波斯特伯格说，也许“我们现在正处于交叉点，放射源[加热]变得如此之低，以至于潮汐加热占据了主导地位。”

如果是这样，也许土卫二是宇宙的一个缩影：潮汐加热和放射性的偶然组合。 这意味着海洋卫星可能无处不在，或者相反，几乎无处不在。

青春的海洋

另一种颇有争议的说法是，一些科学家认为土卫二可能非常年轻。

卡西尼号宇宙飞船收集的大量数据中隐藏着一些迹象，表明土星并非天生就有其标志性的光环。 相反，许多科学家现在相信 形成的环 就在几亿年前。 使用超级计算机模拟月对月暴力的新研究表明，土星环是在剑龙在地球上漫游时两颗古代卫星相撞时形成的。 这次撞击在土星轨道上散落了大量的冰碎片。 虽然许多形成了环，但另一些则破坏了现有的卫星， 创造了新的。 如果土星环很年轻，那么土卫二和其他一些卫星也可能很年轻。

“感觉人们越来越愿意考虑卫星还很年轻，”说 雅各布·克格雷斯是位于加利福尼亚州山景城的美国宇航局艾姆斯研究中心的一名研究科学家，也是最近环形成研究的合著者。

支持这一观点的一个转折是，科学家们并不知道土星一些卫星的年龄。 “土卫二的年龄可能只有几亿年或几千万年，”罗瑟里说。 如果是这样，那么它疯狂诞生时产生的热量可能仍然使其年轻的海洋保持液态。

但年轻卫星的故事还远未确定——许多卫星所显示的陨石坑数量之多表明，这些卫星已经存在了许多亿年，经历了太阳系弹球般的混乱。 “我确实认为，在土星系统中，几亿年前发生了一些奇怪的事情，”尼莫说。 “但我的猜测是，所有卫星都有 4.5 亿年的历史。”

卫星占卜师

由于伽利略号和卡西尼号任务早已结束，科学家们现在将希望寄托在两艘航天器上：欧洲航天局最近发射的木星冰卫星探测器，以及美国宇航局尚未发射的欧罗巴快船。 两者都将在下一个十年之初抵达木星。

这让我们回到了木卫二，这颗卫星首先迫使人们重新想象地球海洋存在的宇宙背景。

Clipper 宇宙飞船的目标之一（定于 2024 年 XNUMX 月飞行）是（用 访问团的目标清单）来“确认”木卫二海洋的存在。 “关于这个词有很多争论，”尼莫说。 快艇可以找到海洋以外的东西； 相反，可能会有一片冰冻的海洋，里面充满了融水。 或者“它可能是一层薄薄的金子，”尼莫开玩笑说。 “我认为 99% 确定那里有海洋。”

假设快船号确认了木卫二海洋的存在，它将开始研究木卫二及其地下海洋的特征。 为此，航天器将首先找出月球表面上有哪些分子，如果科学家幸运的话，还可以找出下面海洋中的分子。 当快艇飞过月球时，它会吸收从月球表面飘出的任何微小的尘埃、冰或水蒸气。 这些粒子将通过其研究 表面粉尘分析仪 仪器：当颗粒撞击金属板时，它们会汽化并带电，从而使仪器能够揭示颗粒的化学特性。

人们希望羽流能够将木卫二的海洋轻轻地排放到太空中，这将使快船队的探索变得更加容易。 这样的喷口可能存在，但它们不会像土卫二那样。 它们可能更加间歇性且地理上分散。 或者它们可能根本不存在——在这种情况下，人们希望微陨石的撞击可能会侵蚀冰壳，释放出海洋中的汤并将其喷向快船。

事实可能是，在保持温暖方面，木卫二和其他卫星所依赖的化学技巧并不像我们想象的那么陌生。 在冬天，“我们在道路上撒盐以降低融化温度，”索里说。 也许木卫二的海洋特别咸，这会降低冰点。 不过，其他化合物可能是更有效的防冻剂——“尤其是氨，”索里说，距离太阳蒸发的眩光越远，氨的含量就越丰富。

潮汐、放射性、化学和青春：这些成分如果以正确的方式混合，可以在这些冰冷的卫星上产生并维持海洋。 “对于所有这些事情，我不认为这是非此即彼的，”霍伊特说。 每颗卫星的具体配方可能不同。 制造充满海洋的冰卫星的方法可能有数百种。

基维尔森说，欧罗巴秘密海洋的发现“确实改变了人们对卫星的看法”。 它让科学走上了一条确定外星生命形式是否可能在这些外星海洋中繁衍生息的道路，或许带来的发现将永远改变我们对宇宙中位置的看法。

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