四分之一个世纪前，“旅行者2号”宇宙飞船快速掠过土星系统，它与土卫二的距离近至90000公里。在几个小时的过程中，它的相机传回了一些图像，这些图像让行星科学家们困惑多年。即使以土星卫星的多样性标准来看，土卫二也是一个异类。它冰冷的表面像新雪一样洁白而明亮，而其他无空气的卫星都布满了陨石坑，土卫二的一些地方却覆盖着广阔的平原，这些平原光滑且没有陨石坑，这清楚地表明了过去由内部驱动的地质活动。土卫二的直径仅略超过500公里，似乎太小了，无法自行产生大量热量。然而，这个天体显然发生了一些不寻常的事情，彻底抹去了其陨石坑记录的大片区域。
“旅行者号”的短暂遭遇只允许匆匆一瞥，而且，事后看来，它对土卫二的成像覆盖范围非常不幸：一些北部半球的中等分辨率图像，南部的一些低分辨率覆盖范围，以及没有南极的图像。我们不知道我们错过了什么。
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“旅行者号”的访问产生的兴趣使对土卫二进行全面考察成为卡西尼号土星任务的主要目标。卡西尼号于1997年发射升空，花了七年漫长的时间穿越行星际空间，携带了有史以来进入外太阳系的最先进的仪器套件。它终于在2004年夏天抵达港口[参见乔纳森·I·卢宁的“土星终于到了！”；《大众科学》，2004年6月]。在那一年的12月，它向土星最大的卫星土卫六的大气层中投放了一个探测器，然后开始了对其余土星系统的巡视——尤其是土卫二，在过去的几个月里，它比以往任何时候都更仔细地考察了土卫二。
在这个构造活动剧烈的小世界上发现的东西一直是行星探测家的梦想，现在这个深藏在一个壮丽的行星系统深处的小前哨站已经具有了与其微小尺寸不相称的重要性。土卫二不仅有足够的热量来驱动改变地表的地质活动，而且还拥有有机化合物，甚至可能存在地下通道或液态水海洋。能量、有机物、液态水：这些是我们所知的生命存在的三个先决条件。在我们对外星和遥远地方的探索中，我们已经与一个可能适合生物体生存的环境面对面。没有比这更好的了。
土卫二的缓慢揭示
早在卡西尼号首次近距离接触土卫二之前，即使在当时并没有得到一致的赞赏，第一个暗示我们即将迎来重大发现的迹象就出现了。2005年1月，我们的相机拍摄了第一批以太阳为背景的月球图像，行星天文学家将这种观测几何形状称为高太阳相位。正如当您驾车驶向太阳时，覆盖在汽车挡风玻璃上的灰尘会变得非常明显一样，当您透过太阳系中散布的非常细小的微粒看向太阳时，这些微粒也会变得非常明显。事实证明，这些观测条件在整个“旅行者号”任务中非常成功，揭示了外行星及其卫星环和大气层中难以看到的结构，它们是土卫二调查的关键。
1月份的图像显示，月球南极边缘突出一个耀斑。没有人需要说出来；我们这些“旅行者号”的老兵立刻想起了木星火山卫星木卫一上空升起的火山羽流以及海王星卫星海卫一大气层中的飘渺薄雾。成像团队中的一些人确信，耀斑是物质从南极喷发的有力证据；其他人则警告说，该特征可能是在迎向太阳的条件下经常出现的一种恼人的相机伪影。
我当时犹豫不决。不幸的是，我们都太忙于计划未来的观测和撰写科学论文，而无暇进行可能解决问题的详细分析。由于没有时间进行验证，我决定不公开说什么；我非常清楚，如果宣布发现一个物质羽流从一个本应是地质死亡的卫星表面跃起，但很快又不得不承认那只是一团污迹，那将是多么尴尬。幸运的是，我们没有等太久。
2月和3月，卡西尼号对土卫二的前两次近距离飞掠使探测器在土卫二的赤道上方和沿赤道航行。两者都获得了惊人的结果。“旅行者号”看到的平原根本不平坦。相反，它们在亚公里尺度上广泛而精细地断裂，在某些地方纵横交错着多代裂缝和沟槽，一些是线性的，一些是弯曲的。在其他地方，表面被深达半公里的裂缝深深地划伤。在更精细的尺度上，大致平行的狭窄裂缝的蜘蛛网将地形形式切割成板状。土卫二显然在其过去经历了多次不同的严重构造活动——并且有疤痕来证明这一点。
2月份的飞掠产生了另一张高太阳相位图像，显示出一个比以前更大、更引人注目的耀斑。此外，磁强计注意到，当土星自转带动磁力线经过土卫二时，土星的磁力线正在发生扭曲——这表明磁力线正在拾取重离子。离子的来源似乎是月球的南极。证据越来越多：我们的成像伪影开始看起来根本不像伪影。
卡西尼号的科学家们向项目经理提出了一个案例，要求更好地观察——具体来说，将2005年7月的飞掠高度从1000公里降低到168公里。他们同意了。7月14日，卡西尼号在月球下方和其高纬度南部上空飞行，使我们首次清晰地看到了南极，那里是景观最令人惊叹和地质特征最鲜明的地方，在我们的太阳系中任何地方都看不到。
覆盖南极的地形是一个大致呈圆形的区域，完全没有陨石坑，并被少数几条我们称为“虎纹”的深而平行的裂缝突出地蚀刻着。它们几乎均匀间隔，延伸130公里，并以钩状弯曲结束。条纹之间是比平均水平更亮的精细沟槽地形平原，整个区域在南纬55度处被一个连续的、蜿蜒的环极边界清晰地划分出来，该边界由同心山脉和山谷组成。边界的蜿蜒大约每经度45度间隔一次，长裂缝从其中一些裂缝延伸到赤道，进入基本上没有陨石坑的区域。
康奈尔大学的成像团队成员保罗·赫尔芬斯坦认为，山脉和山谷的结构和位置表明，当表面沿南北方向水平压缩时，边界会弯曲，就像喜马拉雅山脉一样，形成一个会聚构造边界，并且整个封闭区域相当于土卫二的北大西洋脊——一个新的表面形成的扩张中心，并向外推。
显然，这个小卫星的面容上写着一个故事，讲述了它过去发生的戏剧性事件，但我们即将发现，它的现在比过去更加令人震惊。在卡西尼号越过南极地形外围的过程中，它的尘埃分析仪拾取了微小的粒子，显然来自虎纹区域。另外两个仪器探测到水蒸气，其中一个仪器提供了二氧化碳、氮气和甲烷的特征。卡西尼号穿过了一层稀薄的云层。
更重要的是，热红外成像仪感应到裂缝沿线的温度升高——可能高达180开尔文，远高于阳光简单加热所预期的70开尔文。这些地方每平方米泵出惊人的60瓦特，是黄石地热区每平方米2.5瓦特热量的许多倍。而且，超出红外仪器分辨率能力范围的较小表面区域可能更热。
到目前为止，我们简直不敢相信我们有幸偶然发现了这样一个迷人的地方。作为快速响应，成像团队计划在四个月后（2005年11月下旬）拍摄一系列特殊的图像，以高分辨率和非常高的太阳相位观察南极。与此同时，已经积累了足够多的在类似高相位下观察到的其他卫星的图像，在我的小组的图像分析师的帮助下，我向我们团队的怀疑论者证明，这些图像没有任何耀斑，而我们在土卫二上看到的绝对不是伪影。当我们都意识到我们正在观察一个微小颗粒的羽流，它绝对是巨大的，至少延伸到月球南极上方数百公里时，我们犹豫不决的日子就结束了。
11月27日，我们拍摄的一系列引人注目的新月形土卫二黑白图像终于到达，清晰地显示出十几个或更多个不同的狭窄喷泉，它们将细小的冰粒子喷射到太空中，并为一个微弱但巨大的火焰状羽流提供物质，该羽流高耸于南极区域之上。空间科学研究所的成像团队成员约瑟夫·斯皮塔尔和我后来的分析表明，喷射源与虎纹上最热的位置重合——这是温暖和活跃喷发之间存在联系的第一个确凿证据。大多数粒子会落回地面，但有些粒子具有足够的速度进入绕土星运行的轨道，实际上是造成土星最外层环，即E环的原因。
无论用什么标准衡量，这些图像都是一个戏剧性的发现：一个无可辩驳的证据，表明在一个原本寒冷的小卫星上存在当前的内部活动。我不禁立刻对那些很久以前第一眼看到黄石公园间歇泉动荡的人们产生了亲切感。
升温
关于土卫二的第一批卡西尼号科学论文于2006年3月初发表，狂热开始了。每个人都开始谈论土卫二。从那以后，卡西尼号对土卫二进行了多次飞掠，深入到羽流密度更高的区域，最低到达25公里的高度。在今年3月的一次非常低空飞掠中，卡西尼号改进了对水蒸气、氮气、二氧化碳和甲烷的测量，此外，它还发现了一些其他含碳化合物，如乙炔和氰化氢，以及痕量的乙烷、丙烷、苯、甲醛和其他有机物。
在8月的另一次非常近距离的飞掠中，我们的相机聚焦于喷射流的地表源头。宇宙飞船的飞越速度非常快，以至于必须设计一种特殊的相机平移技术，类似于飞碟射击，以避免运动模糊。完美地执行后，该序列显示虎纹深达300米，具有V形壁，冰块像房屋大小一样散落在它们的侧翼和更远的地方。侧翼沿线的区域看起来比平均水平更光滑——可能是新鲜降雪的覆盖层。
出乎意料的是，每个喷口的直接附近与其他裂缝沿线的其他地方没有明显的区别。我们初步得出结论，没有一个喷口会长时间保持活跃。冰塞从凝结的蒸汽中生长出来，并在喷口能够显着改变周围地面之前将其阻塞。在那时，压力迫使在裂缝沿线的其他地方打开一个新的喷口，它也会被阻塞，如此循环往复。一段长时间推移的电影可能会显示喷射流在裂缝的长的线性延伸上上下迁移。
除了让我们了解令人叹为观止的地质现象外，这些图像还精确测量了土卫二的大小和形状。结合月球的质量（从其在近距离接触期间对卡西尼号轨迹的引力扰动中得出），这些信息揭示了土卫二是土星主要卫星中最富含岩石的卫星。其1.6克/立方厘米的平均密度意味着岩石占月球质量的60%，而且很可能岩石集中在一个岩石核心中，该核心被数十公里厚的水冰地幔包围。
在地球上，岩石含有产生热量的放射性物质。这无疑也适用于土卫二。但即使所有这些岩石也不足以产生观测到的热量。唯一另一种可能的热量来源是潮汐加热。正如太阳和地球月球的引力略微使我们的地球变形，产生海洋潮汐一样，土星的引力也使土卫二变形。土卫二的轨道不是圆形的；它与土星的距离是变化的。它离土星越近，变形就越大。这种每日变化会引起弯曲和内部加热。引力也可能在表面特征的形成中发挥作用。虎纹与土星方向成45度角——潮汐力自然会解释这种方向。
加热的程度不仅取决于轨道偏心率——轨道偏离完美圆形形状的程度——还取决于月球内部的一致性。一个非常刚性的物体会抵抗变形。一个完全弹性的物体会变形但不会以热量的形式消散能量。一个由粘性材料组成的柔韧的卫星会屈服并升温，一个部分刚性但布满裂缝的卫星也会屈服并升温，这样冰块就会相互摩擦并通过摩擦产生热量。加热不需要在整个月球中均匀发生。它可以集中在外冰壳中或外冰壳内的有限区域，例如裂缝。
通常，潮汐加热往往会自行关闭。卫星中的物质需要时间变形，因此变形始终与产生变形的力不对齐。结果是引力矩，它会改变卫星的轨道运动并逐渐使轨道圆形化。潮汐应力停止变化，卫星稳定成固定形状，加热停止。然而，土卫二仍然保持椭圆轨道，这是因为它与其更大的兄弟卫星土卫三存在轨道共振。土卫二每绕土星运行两圈，土卫三就运行一圈。这种同步性使来自土卫三的周期性引力踢力随着时间的推移连贯地作用，并使土卫二的轨道保持非圆形。
然而，即使是这些特殊情况也不够。麻省理工学院的詹妮弗·迈耶和杰克·威斯多姆研究了土卫二的轨道构型，发现注入到天体中的潮汐能量的数量比土卫二南极输出的能量少了五倍。这个结果完全独立于潮汐能量在内部如何消散。土卫二在其目前的轨道上，根本没有足够的能量来解释其热量输出。
橡皮泥卫星
只有当您假设土卫二今天的潮汐加热应该与其今天的热量输出精确匹配时，悖论才会出现。如果土卫二仍在散发早期加热事件的热量呢？格雷格·奥亚坎加斯和大卫·史蒂文森（当时都在加州理工学院）于1986年首次对木卫一进行研究时提出的一种可能的设想是，卫星的轨道及其内部的一致性可以相互作用，导致轨道偏心率和热量输出的周期性变化。
想象一下，从一个寒冷、大部分刚性的土卫二开始，它在一个近乎圆形的轨道上运行。潮汐加热率相对较低。土卫三迫使轨道偏心率增加，这导致冰壳中更大的弯曲和粘性加热。偏心率和加热持续增加，直到在某个时候，加热率超过了月球散失热量的能力。然后内部温度开始升高，内部物质变得更柔软，刚性更小，这导致更多的潮汐加热。在另一种可能的振荡方案中，月球变得不那么僵硬不是因为它变得更柔韧，而是因为裂缝的产生。潮汐应力使冰破裂并引起剪切运动。裂缝表面之间的摩擦导致潮汐能量耗散和沿裂缝加热。
在这两种情况下，额外的耗散都会导致月球的轨道变得更加圆形，最终趋势逆转；潮汐加热开始减少，并最终低于地表的热量散失率。月球开始冷却，冰要么恢复僵硬，要么在第二种情况下，裂缝愈合。然后，这个周期重新开始，可能需要数千万年。这个想法说明了我们可能在某个时候偶然发现一颗卫星，那时它的热量输入和输出不是处于稳定状态。在这样的振荡方案中，能量输入和输出仅在整个周期内平衡。在任何给定的时刻，人们可能会发现月球的热量输出高于或低于平均水平——并且高于或低于其瞬时加热率。
奥亚坎加斯和史蒂文森已经表明，由冰的粘度对温度的依赖性介导的循环可能适用于木卫一，木卫一也像土卫二一样，存在热量输入和输出不匹配的情况。不幸的是，它不适用于土卫二：迈耶和威斯多姆得出结论，该卫星的质量不足。裂缝介导的循环可能是可能的，但尚未得到充分研究。
下方有什么？
法国南特大学的加布里埃尔·托比和他的合作者研究了另一种可能的解决方案：南极的一个薄弱区域可以将潮汐能量集中在那里，并通过时间维持自身。他们模拟了土卫二对潮汐力的响应，假设南极下方是一个低粘度区域，这使得土卫二的这一部分比其他部分更柔韧。这个模型可以重现观测到的热量输出，但仅在两种条件下，这两种条件彻底改变了我们对土卫二的看法。
首先，该区域的冰必须是温暖的——接近其熔点——其次，在覆盖的冰壳和岩石核心之间必须有一个液体层楔入。这个层必须位于几乎整个南半球的下方。如果没有它，不仅弯曲以及由此产生的粘性加热将不足，而且它还倾向于发生在赤道而不是极地。
当人们考虑到土卫二的南极帽实际上是一个半公里深的盆地，它被刻入月球的整体形状时，地下海的想法变得更加引人注目。根据惠顿学院的杰弗里·柯林斯和伍兹霍尔海洋研究所的杰森·古德曼的研究，这个盆地可能是地下海的表面表现。液态水比冰密度大，因此该区域水的总体积较低。本质上，整个南极区域都是一个巨大的天坑。
事实上，海洋可以间接地解释土卫二的大部分地质多样性。华盛顿卡内基研究所的松山勇和加州大学圣克鲁兹分校的弗朗西斯·尼莫已经表明，月球主要地质特征的位置和方向——特别是南北走向的裂缝和环极山脉——表明月球的冰壳相对于其自转轴发生了滑动。月球就像一个巨大的陀螺仪，其外壳可以围绕轴心自由旋转。
这个想法可以解释为什么地质活动活跃区域恰好位于南极：一个温暖的区域，密度低于平均水平，自然会向自转轴漂移。此外，南极下方的较温暖区域将在冰壳最上层脆性层下以对流方式上升，这解释了南极地形的扩张中心特征。为了使冰壳以这种方式移动，需要一个液体层将冰与更深的内部解耦。
土卫二活动的全因可能是这些效应的组合。如果土卫二经历裂缝介导的加热循环，并且如果月球外冰壳的潮汐变形速率足够快，裂缝可能会传播到下方的韧性温暖区域，甚至可能一直到达海洋。这些裂缝内的摩擦加热将有助于南极下方的整体粘性加热。冰可能会沿着深裂缝融化，融水将大大提高加热率。通过这种方式，地下海可能是自我维持的，上覆地壳中的液态水为下方的海洋提供补给。只要海洋在循环的冷却阶段永远不会完全冻结，只要土卫二与土卫三保持轨道同步，整个过程就会继续下去。
更重要的是，液态水可以自然地解释观测到的喷发。加州大学伯克利分校的迈克尔·曼加已经表明，地下海的部分冻结会增加其压力并迫使液体向上。随着压力在上升过程中释放，溶解的气体（如二氧化碳）会从溶液中析出并形成气泡，这就像摇晃一瓶香槟一样，可以帮助液体上升。如果液体确实一直到达地表，它就为热量如何从其产生的地方（月球深处）到达地表的问题提供了一个现成的答案：流动的水在传递热量方面非常有效。这也意味着喷射流实际上是间歇泉，起源于地下液体储层。
土卫二作为生命的居所
我们仍在测试和完善我们关于土卫二如何变成今天的样子的概念。但总而言之，几乎不可避免的是，液态水存在于其地表之下的某个地方。如果是这样，我们面临着一个令人兴奋的可能性，即在这个小卫星内部，存在着生命，或者至少是生命的先兆步骤可能正在萌动的环境。生命所需的一切似乎都存在：液态水、必需的化学元素和过剩的能量。土卫二生态系统的最佳类比是陆地地下火山地层，液态水在热岩周围循环，完全没有阳光和阳光产生的任何东西。在这里发现了消耗氢气和二氧化碳产生甲烷，或消耗氢气和硫酸盐的生物体——所有这些都不是由太阳提供能量，而是由地球自身的内部热量提供能量。
今天的土卫二很大程度上是昨天的孩子，我们才刚刚开始从散落在其表面的珍贵线索中拼凑出它的过去。仍然存在许多问题，即使卡西尼号功能再强大，也无法回答这些问题——这些问题现在和将来都将超出我们的能力范围，除非我们将一艘特制的宇宙飞船送入绕月球运行的轨道，或者将着陆器降落在其表面。轨道飞行器可以完全绘制月球的重力场和地表地形图，揭示其质量的内部分布，包括任何地下液体层。一个配备地震仪的小型着陆器可以探测到地下液体的隆隆声。
复杂任务的巨大成本和漫长的开发时间意味着我们必须非常有选择性地选择去哪里。许多科学家渴望重返木卫二，因为木星的这颗卫星显然也拥有一个地下海洋，可能孕育着外星生命[参见罗伯特·T·帕帕拉尔多、詹姆斯·W·海德和罗纳德·格里利的“木卫二的隐藏海洋”；《大众科学》，1999年10月]。然而，在我看来，进一步探索土卫二更有希望。因为科学家们不知道木卫二上有任何活跃的喷口，所以要对其内部进行采样以测试是否存在生态系统，就需要钻探到很深的深度，这是一项极具挑战性的事业，在我们有生之年肯定不会发生。相比之下，要对土卫二的内部进行采样，您只需飞过羽流或降落在南极地形上，抬头张开嘴就可以了。
此外，由于土星的磁层与木星的磁层相比是贫血的，因此在土卫二上或周围的航天器不必像木卫二轨道飞行器那样应对严重的、限制任务的辐射场。最后，前往土卫二的旅程可以允许对土卫六进行串联探索，土卫六是另一个土星目的地，可能提供对生命化学起源的观察[参见苏希尔·K·阿特雷亚的“火星和土卫六上甲烷之谜”；《大众科学》，2007年5月]。
目前，我们很高兴知道，人类首次对土星及其世界随从进行的深入调查，在这个神秘小卫星的南端发现了一些奇妙的东西：一个奇妙而不平静的地方，那里有深邃的冰冷裂缝和高耸的幽灵般的喷泉，这是一个罕见的领域，它的发现奖励了身心。作为行星探险家，我们别无所求。
注意：这个故事最初以标题“土卫二躁动不安的世界”印刷。