太阳系看“海”指南

Amateur Astronomer - - CONTENTS - 懿 /编译

在外太阳系,散布着奇特、冰冷和隐蔽的海洋,那里兴许还庇护着地外生命。早期的太阳系富含水且动荡。在小行星和彗星排山倒海地撞击下,形成中的行星会获得大量的水。今天,火星上有多处迹象表明其北半球曾被一个巨大的古代海洋所包围。化学分析暗示在原初的金星上曾存在广泛的海洋。但除了这些过去的辉煌之外,在地球之外的外太阳系中目前仍潜藏着海洋。

各式各样的海洋

那么,这些水最初是从何而来的?对于水而言,我们的太阳系犹如双城记。行星形成于围绕新生太阳的盘状气体和尘埃云中。这个行星盘中含有水、矿物、尘埃和金属,但越靠近太阳的地方,水越少,反之则越多。由于年轻太阳的高温,内行星最初的水会蒸发殆尽。但小行星的撞击会为类地行星输送来额外的水。较小的水星流失了其大部分的水,但是金星、地球和火星都形成了不同程度的海洋。然而,只有地球的海洋仍然留存至今。外太阳系中的海洋则截然不同。所有的气态和冰质巨行星都诞生于包裹着它们的盘形星云中。当木星、土星、天王星和海王星冷却时,它们就会收缩;每一个都会拥有一个气体、冰和尘埃云。在这些小型的吸积盘中,会聚集形成卫星。木星的四颗大型伽利略卫星为此提供了一个完美的样例。靠近木星的木卫一和木卫二坍缩形成了高密度的岩质核心,在木卫二 上还有一个相对较薄的水冰外壳。它们是木星版的类地行星。在木星星云外部,那里拥有更多的水,于是形成了半径更大、密度更低的木卫三和木卫四,它们有着较小的岩质核心和更深厚的冰壳。但在这些隐秘的海洋中存在着多少水呢?事实证明,有很多。得益于行星探测,既有认识所发生的最重大转变之一就是太阳系充满了海洋。在太空时代之前, 没有人能意识到这一点。即便那时有人怀疑在木卫二或者甚至土卫二之下存在着海洋,手头的数据也无法让你得出海洋普遍存在于冰质卫星上的结论。

木卫二的冰壳

作为地外海洋的典范,木星的冰质卫星木卫二已经成为追寻地外生命的天体生物学家们的最爱。这颗木星第四大的卫星有一个由水冰所组成的闪闪发光的表面。直线和曲线形的条纹散布于它的表面之上,它

们是存在强大板块活动的有力证据。对于在木卫二奇特而布满条纹的冰面之下存在什么,天文学家提出了几种可能,从液态水上的软冰到一个深约100千米的海洋不等。无论其内部如何,木卫二绝不仅仅是一个“水球”。木卫二海洋的线索来自其冻原上众多笔直的裂纹,其两侧还有数百米高的漫延山脊。另外还有一些由半流质稀薄混合物凝固而成的区域,在重新封冻前它们发生过旋转和翻动。除了这些外观上的线索,木卫二还拥有一个磁场, 它与在木卫二冰层上部由导电液体 (可能是盐水)所产生的磁场一致。木卫二的磁场属于感生磁场,是在对木星强大的磁场做出响应时所产生的。随着木星的自转, 其强大的磁场会随之转动, 不断地扫过木卫二。在这种情况下, 任何能导电的物质都会产生感生磁场。观测到的感生磁场使得科学家们认为,其源头是一个木卫二表面附近的导电层,例如一个含盐的海洋。在木卫二每绕木星半圈的时间里,木卫一就会绕木星1圈, 而木卫三则绕木星转了1/4圈。这一共振会使得木卫二的轨道稍稍偏离圆形,木星的引潮力由此可以加热它的内部。虽然木卫二上的潮汐加热要远小于具有活跃火山活动的木卫一,但在木卫二的海底可能会因此出现火山,在那里硅酸盐地幔会与上方海 洋相遇。在地球上, 这样的海底火山承载着丰富的生物。虽然湮没在永恒的黑暗中,但这一漆黑的环境对木卫二上的任何生物都有一个好处:其深厚的冰壳可以抵御来自木星的汹涌致命辐射。在冰层之下,木卫二的海洋覆盖全球。对表面特征的跟踪表明,木卫二的冰壳并不与其岩质核心直接相连,而是自由漂浮在一个液体层之上。根据从1995~2003年环绕木星的伽利略探测器从近距离飞掠所采集的数据,木卫二的内部有一个岩质核心,外部则是一个约100至200千米深的水圈层。那么,木卫二的冰壳有多厚呢?有一个模型认为,覆盖在其海洋之上的冰壳较薄,厚120千米。在这个模型中, 从海底火山喷出热水的羽流会撞击到表面的冰层,进而使之破裂形成所见的表面特征和结构。另一种模型的冰壳较厚。就像熔岩灯中的醋腊浮块,温度较高的冰块会在冰壳中向上迁移,形成今天我们所看到的表面特征。这些上升的冰不会完全融化,但会逐渐地使表面变形。冰中的杂质能导致熔点降低,可能会有助于这个过程。即使有数十千米厚的冰, “伽利略”所发现的少量盐或硫酸就足以充当“防冻剂”来形成所见的地貌。在这种情况下,有些区域甚至还可能会出现地下湖泊。有了这些活动,水是否能以间歇喷发的形式逃脱出来呢?水喷发的证据包括了潜在喷口周围深色的物

质晕,覆盖表面裂缝的盐以及临近裂口排列的链状明亮斑块。对逃逸水蒸气的猜想首现于2012年末,当时哈勃空间望远镜的一系列观测在木卫二南半球之上发现了水蒸气的光谱信号。天文学家们得出结论:水蒸气很可能是间歇性喷发的产物,据估计喷射的速度为每小时1500千米,是民航客机的3倍,它形成一个高达200千米的巨大羽状结构。但是,当科学家们重新审视“伽利略”的数据时,却没有发现任何喷发的迹象。在前往土星的途中,2000年12月30日卡西尼土星探测器飞掠木星,期间也没有发现喷发活动。“哈勃”在更早的1999年10月和2012年11月的观测中也没有发现木卫二任何的喷发。但在2016年,“哈勃”的观测却明显地探测到了木卫二羽状喷出物。事实上,在15个月的时间里它共 观测到了3起喷发事件。如果“哈勃”所观测到的是喷发中的冰火山,这意味着木卫二可能具有两种火山活动:在海底喷射熔岩的传统硅酸盐火山以及在冰壳之上间歇性喷发水蒸气的冰火山。

充满活力的土卫二

土星的小卫星土卫二是一个绝非寻常的天体。它细腻的冰壳表面上有着蜿蜒的山脊和布满裂隙的平原,几乎看不到陨击坑。整个土卫二上散布着新近的冰质物质。2005年,“卡西尼”在土卫二上发现了冰火山活动。最壮观的是,这包括了101口位于其南极的活跃间歇泉,喷出物高达500千米,它们可能是由类似于木卫二和木卫一上的潮汐力所驱动的。这些间歇泉从土卫

二南极的裂缝中喷出,那里的温度可高达-93℃,比周围环境高出约108℃。在多次飞过喷出羽状物的过程中,“卡西尼”探测发现其90%为水蒸气,其余则为二氧化碳、甲烷、乙炔、丙烷、一氧化碳、氮分子以及少量相当复杂的富碳分子。在土卫二的冰壳之下正在发生一些复杂的化学反应。除了所有这些化学成分之外,喷出羽状物的冰粒中还含有氯化钠和其他盐。这些羽状喷发似乎正在把土卫二内部含盐冰颗粒输送到外部。这些物质可能来自于一个久已消失海洋的残余,但更有可能的是这些咸水目前就存在于其表面之下不远处,它们会被时不时地喷射出来。鉴于土卫二具有无害的辐射环境,它将是未来实地探测的理想目的地。你不必为飞船装上60厘米厚的铅板来保护自己。只是采取适当的防护,无人探测器就能在那里自如地工作,探测有机分子并检测它们的手性。手性是生命的重要特征。大多数复杂的分子都具有手性,这意味着它们具有互为镜像的两种形式。地球上的所有生命都使用左手性的氨基酸;科学家们认为别处的生命也会同样对某一手性的分子有强烈的 偏好。此外,和木卫二相比,在土卫二上钻探将不会是个大问题。无论在其地下的海洋中有什么,都是可探查的。所需要做的就是在它表面着陆,然后寻找和嗅探。在这里,你可以看到一些极为古老的区域,它们在过去的10亿年里几乎没有发生过变化;另一些则是非常年轻的区域,地质活动的时间甚至还不到1周。事实上,土卫二的有关发现是在太阳系中搜寻地外生命的一个转折点。在最近的地质时期,外行星的卫星仍处于活跃状态对于科学家们来说是一个巨大的启示。尽管旅行者探测器已经向我们展现了木卫一上的火山活动,开辟了新的可能性,但随着“卡西尼”探测到土卫二的活动,这才真正地改变了我们已有的认识,开始意识到这样的事情是可能的。

木卫三和土卫六:禁闭的海洋?

伽利略卫星中最大的是木卫三。它直径5262千米,比水星的还大383千米。“伽利略”发现木卫三有一个内禀磁场,是唯一一颗已知能自己产生磁场的卫星,暗示它有一个由熔融铁构成的核心。“伽利略”

还探测到了一个与木卫二类似的感生磁场,表明它拥有一个很深的咸水海洋。对于木卫二的情况下,其海洋就位于岩床之上,在那里矿物和可能的火山可以提供生命所需的物质。但木卫三则不同。它的感生磁场表明,在其冰冻的表面之下存在着多个深度是地球上10倍的海洋,但它很可能被夹在上、下两个冰层之间,整体犹如三明治一般。由于与富含矿物的岩质核心隔绝开,在这些海洋中存在生命的概率有多大?模型表明,冰层和岩石交界面上的咸水可能会向上渗出,迁移至上方冰封的海洋中。一路上,这些水可能会聚集成内部“池塘”。木卫三冰中的压强和温度很难在地球上的实验室里模拟,但海洋和岩石之间的冰壁垒也许根本就不是问题。因此,天体生物学家们正在开始重新考虑木卫三作为潜在生命居住地的可能性。在土星最大的卫星土卫六地表之下,可能也存 在着一个类似的禁闭海洋。如果土卫六地壳是由固态冰构成的,那它的引力每天会形成1米高的潮汐。但实际上其地壳的抬升高度是这个数字的大约10倍,这一弹性可以用一个隐藏的海洋来解释。土卫六的密度表明它由等量的水和岩石组成。水冰构成了它的表面壳层,但在此之下则可能存在一个深达300千米的海洋。在漆黑的海水中也许包含有氨水和复杂的有机物。禁闭的海洋也许并非是木卫三和土卫六所独有。土星的卫星土卫四在表面之下约100千米处可能拥有一个几十千米深的海洋。

土卫六:最奇特的海洋

除了一个可能深埋地下的海洋之外,土卫六在其表面上还拥有另一种海洋,而它兴许是所有海洋中最奇特的。在它浓密的氮—甲烷烟雾之下,土卫六上存

木卫二内部结构的艺术概念图。它的宏观结构(左图)由内而外分别是金属核心、岩质地幔和水层,表面结构则为表面冰层和冰层下海洋。版权:N A S A /JP L-C altech。

科学家们都确信在木卫二表面冰层之下存在海洋,但对于冰层的厚度则莫衷一是。左、右图分别呈现了两种可能的剖面图。左图的冰层较薄,海底火山释放的热量可以使之直接融化,导致冰面破裂;右图的冰层较厚,热传导效力较低,需要潮汐加热来提供额外的热量。版权:N A S A /JP L/M ichaelC arroll。

根据卡西尼探测器的重力场测量所得到的土卫二内部结构艺术概念图,结果显示它具有一个外部冰壳和一个低密度岩质核心。在南半球高纬度地区,上述两者之间存在一个区域性的液态水海洋。版权:N A S A /JP L-C altech。

木星的卫星木卫三是太阳系中最大的卫星,让水星都相形见绌。它内部海洋和冰层就像是三明治一样交叠分布。版权:N A S A / JP L-C altech。

根据卡西尼探测器的数据所推断出的土卫六层化内部结构。它有一个由含水岩石构成的核心以及一个地下液态水海洋,在这两者之间的则是冰幔。版权:A . D . F o rte s/U C L /S T F C 。

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