北大西洋百慕大和加那利群岛之间中途的洋底，在任何不太可能找到繁华城市的地点列表中都必须名列前茅。然而，在那里，在阳光照射的表面以下近一公里的黑暗中，大自然建造了一座海底大都市，这是一片由石灰岩塔组成的建筑群，高达摩天大楼，是大量蜗牛、螃蟹和贻贝的家园。这些塔是在温暖的碱性水从海底 hydrothermal vents 中喷出时，矿物质沉淀形成的。生物学家在 21 世纪初使用潜水器和遥控摄像机发现了这个奇异的“失落之城”，并一直在研究它，以了解 hydrothermal vents 如何在远离赋予生命的阳光的地方维持蓬勃发展的生态系统。与此同时，行星科学家使用卡西尼号太空探测器在外太阳系取得了一系列革命性的相关发现，他们发现了强有力的证据，表明类似于失落之城的 hydrothermal vents 不仅存在于地球上，也存在于土星一颗名为土卫二的小型冰冷卫星神秘的地下海洋中。那里也可能存在生命吗？
自然而然地，地外生命的可能性令科学家们兴奋不已，但即使没有外星人在他们眼前晃来晃去，他们也会对其他世界的 hydrothermal vents 感到兴奋。表明这颗遥远卫星上存在 hydrothermal 活动的相同证据，也正在提供关于土卫二海洋成分和寿命的关键信息。这些秘密可能永远隐藏在冰冻的地壳之下，就像木星的木卫二等目前缺乏 hydrothermal 活动有力证据的其他含海洋卫星一样。
更根本的是，土卫二 hydrothermal vents 的存在本身就提出了一个令人难以抗拒的谜题。除了水，hydrothermal 活动最重要的成分显然是热量，但这个冰冷卫星炙热的内部却不容易解释。土卫二的直径大约与英格兰相当——对于一颗卫星来说相对较小，而且太小而无法 удерживать 来自其形成过程的原始热量。一定有其他热源在其深处发挥作用。了解土卫二如何产生和维持其温暖的内部，可能会彻底改变我们对冰冷卫星的理解——以及它们存在生命的 перспективы。
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最初的迹象
在卡西尼号抵达土星系统大约一年后的 2005 年，当该航天器观测到巨大的水蒸气和冰粒羽流从卫星南极周围构造活跃的地形上升到数百公里高的太空时，科学家们开始怀疑土卫二内部存在海洋。在随后的多次飞掠中，卡西尼号追踪到羽流来自四个线性裂缝喷射出的多股喷流，这些裂缝比周围寒冷的环境温暖得多，以至于在红外线下发光。任务科学家将这些裂缝称为“虎纹”，并将它们的喷流确定为构成土星经典环系统周围稀薄而广阔的冰粒子环——即 E 环——的来源。然而，大多数喷流的冰粒移动速度太慢，无法到达这个环，而是以细粉状雪的形式落回土卫二。根据覆盖其南半球部分地区的 100 米高的雪堆，研究人员估计土卫二已经向太空喷射水达 1000 万年或更长时间。
尽管最初关于土卫二喷流的“海洋假说”存在争议，但卡西尼号进行的一系列扩展研究现在无可辩驳地证实，全球性的深海隐藏在卫星内部。最近，布拉格查尔斯大学的 Ondrej Cadek 和他的合作者（包括我们中的一位（Tobie））对土卫二的引力场、表面地形和轻微的自转摆动进行了分析，对海洋的大小和范围做出了迄今为止最好的限制。他们的工作表明，地壳在土卫二赤道附近必须厚约 35 公里，但在南极及其周围地区厚度不到 5 公里。事实上，凡尔赛圣昆廷大学的 Alice Le Gall 和她的合作者最近在南极地形探测到异常大的热微波辐射，表明冰壳厚度仅为几公里。海底位于地表以下约 60 至 65 公里处，这意味着土卫二的海洋容纳的水量约为印度洋的十分之一。根据卡西尼号在 2009 年和 2011 年收集的数据，我们中的一位（Postberg）已经表明，水是碱性和咸的，在其喷射羽流中含有氯化钠——标准食盐。这意味着海洋很可能位于卫星岩石核心之上（并从中浸出矿物质）。
关于 hydrothermal vents 存在的关键证据是在 2004 年由卡西尼号宇宙尘埃分析仪 (CDA) 开始收集的，甚至在航天器抵达土星并发现土卫二的羽流之前。当卡西尼号从行星际空间接近土星时，意想不到的微小、快速移动的纳米粒子阵雨像霰弹一样撞击 CDA。多年后，在发现羽流之后，Postberg 检查了 CDA 数据中纳米粒子大小和频率的分布，发现它们没有一个大于 20 纳米，并且它们的所有成分与基本上纯二氧化硅——二氧化硅，石英岩和海滩沙子的主要成分——的成分最一致。科罗拉多大学博尔德分校的 Hsiang-Wen Hsu 使用数值模拟来追踪二氧化硅纳米粒子最可能的轨迹，推测它们起源于 E 环的外围区域。因为我们知道土卫二产生 E 环，所以这一发现强烈表明纳米粒子来自这颗冰冷的卫星。它们的成分被证明是发现土卫二 hydrothermal 活动的确凿证据。
从两百万公里外看到的土卫二（中心）嵌入在土星的 E 环中，E 环由卫星的冰羽流形成。图片来源：NASA/JPL 和太空科学研究所
从土卫二喷射出的纯二氧化硅令人惊讶，因为其唯一合理的来源将是冰和海洋深处，在卫星的岩石核心中，那里二氧化硅主要以与其他元素（如铁和镁）化学结合的矿物质形式存在。对这些矿物质进行碰撞研磨——粗暴地粉碎岩石以制成越来越小的碎片——可能会产生二氧化硅纳米粒子。然而，这样的粒子会以各种尺寸出现，而不是卡西尼号观测到的非常窄的范围。只剩下另一种自然的解释：纳米粒子可能从流经岩石的热碱性水的过饱和、富含二氧化硅的溶液中结晶出来——也就是说，来自地球上失落之城完全相同的 hydrothermal vents。
宜居的海洋？
在失落之城，以及可能在土卫二的海底，热水在流经硅酸盐岩石时会吸收二氧化硅。当水喷射到周围的海洋并冷却时，其携带吸收矿物质的能力会降低，二氧化硅纳米粒子就会形成。在这个阶段，其他分子可能会附着在纳米粒子上，使其变大变重，从而最终沉淀到底部——除非水是碱性的并且不太咸。纳米粒子的大小和寿命与其水性诞生地的温度和化学性质之间的这种关系，为研究人员提供了前所未有的窗口，可以了解土卫二海洋的环境条件。
在卡西尼号最初探测到纳米粒子之后，由东京大学的关根康人领导的一个团队进行了实验室实验，以证实纳米粒子是如何形成的，并揭示土卫二深处的条件。科学家们发现，温度在 90 摄氏度或以上，碱度高于地球海水，盐度略低于地球海水的水是产生小型、长寿命二氧化硅纳米粒子的理想选择。根据他们的实验，土卫二海洋的碱度必须介于地球海水和氨水家用清洁产品之间。如果碱度高于氨水，水的高二氧化硅溶解度将不允许纳米粒子形成。如果水碱度低于地球上的海水，则必须热得难以想象才能溶解足够的二氧化硅以形成二氧化硅纳米粒子。总而言之，Hsu、Postberg 和关根各自的工作提出了这样一种可能性：失落之城和其他陆地 hydrothermal vents 的丰富生态系统，如果迁移到土卫二的深处，可能会存活和繁荣。换句话说，这颗遥远冰冷卫星的海洋看起来可能是宜居的。
当然，土卫二目前可能不适合生命存在，卡西尼号探测到的二氧化硅纳米粒子可能只是很久以前停止的古代 hydrothermal 活动的遗迹。但关根和其他合作者的工作表明情况并非如此。在实验室实验和数值模型中，新形成的二氧化硅粒子的平均宽度约为 4 纳米，仅在至少几个月、最多几年的时间跨度内才会变大。CDA 数据显示，来自土卫二的典型纳米粒子宽度在 4 到 16 纳米之间，没有一个宽度超过 20 纳米。因此，卡西尼号收集的纳米粒子一定是在测量前不久才产生的。否则，它们会比观察到的更大。
从海底到深空
我们现在可以追踪一个典型的纳米粒子从土卫二埋藏的海洋底部到更广阔的太阳系的旅程。在热的、富含二氧化硅的流体涌入寒冷的周围海洋的冷却边缘形成后，一个纳米粒子将花费长达几年的时间在约 60 公里的开放水域中向上漂移。
当它到达海洋顶部时，纳米粒子会进入贯穿南极地形上方几公里厚的冰冻地壳的充满水的裂缝中。由于海水比周围的冰更密集，因此其向上运动应在土卫二表面下方不到一公里的地方停止。但是，所谓的香槟效应在这里提供了进一步的推动力：随着含有溶解的二氧化碳和其他气体的水上升，并且其上的压力降低，它会变得充满气泡。气泡有助于将海水提升到土卫二表面 100 米以内的位置。潮汐力也可能通过反复打开和关闭裂缝来帮助这一过程。
图片来源：Ron Miller（土卫二）和 Jen Christiansen（热源图标）；来源：NASA/JPL-Caltech/太空科学研究所/月球与行星研究所 （土卫二表面地图）
我们怀疑，在那里，充满悬浮颗粒的富含气体的液体的临时池塘会从破裂的气泡中抛出海洋雾云。在如此靠近太空严酷真空的环境中，水会有效地蒸发，尽管它接近冰点。蒸汽被拖入真空，并像通过烟囱一样，通过近地表冰中的裂缝上升到太空。与蒸汽一起，来自起泡池塘的海洋喷雾被向上携带，并迅速冻结成微米级的冰粒，这些冰粒像小圆面包中的葡萄干一样包含二氧化硅纳米粒子。一些蒸汽冻结在冰壁上，释放出潜热，我们将其视为土卫二表面虎纹的红外光芒。未冻结的蒸汽将载有纳米粒子的颗粒带到表面，并将它们像冰冷的喷泉一样抛入太空。
羽流中的大多数颗粒都以雪的形式落回表面，但那些速度最高的颗粒会逃离土卫二，并在 E 环中积聚。在 E 环中，电离气体侵蚀冰粒并释放出嵌入的纳米粒子。然后，释放出的纳米粒子从电离气体和自由电子中积累电荷，并成为土星巨大电磁场的玩物。最后，在太阳风的推动下，一些纳米粒子的速度达到每小时一百万公里——约占光速的 1%——并飞向太阳系。一小部分逃逸者甚至可能到达星际空间，在恒星之间的空隙中冲浪。
热门话题
尽管这种叙述很详尽、优美，而且我们相信是真实的，但它并没有解决已成为土卫二中心难题的问题：维持其动态海洋所需的内部热源是什么？这种热量对于液态水和生命至关重要，显然不可能来自阳光。太阳光在土卫二上的强度比地球附近弱约 99%，使这颗冰冷卫星的表面温度与液氮的温度大致相同。
地球内部约一半的热量来自铀、钍和钾的放射性同位素的缓慢衰变。这种放射性生热作用使地球内部的温度在数十亿年内保持在数千摄氏度以上。尽管土卫二可能含有与地球相当浓度的放射性元素，但它只有 500 公里宽，与地球相比，这颗微小的卫星散失内部热量的效率要高得多。在没有额外热源的情况下，土卫二的内部应该是完全冻结的。这颗卫星的小尺寸和微弱的引力也使其内部动力学与地球等庞大的行星截然不同：土卫二内部较低的压力和较温和的温度限制了其核心中物质的压实和固结，允许水通过多孔岩石向下循环，从而在卫星的中心产生 hydrothermal 过程。与此形成对比的是地球，地球上地下压力和温度的快速升高限制了水循环到地壳顶部几公里的范围内。
人们可能会认为，冲刷土卫二的核心会加速其冷却，带走任何放射性生热，并排除制造二氧化硅纳米粒子所需的高温。然而，除了标准的放射性生热之外，还有另一种可能的能量来源可以解释卫星当前的 hydrothermal 活动：潮汐加热。
类似于地球海洋潮汐是如何由我们的月球和太阳拉动我们的星球而产生的，当行星或卫星在非圆形、偏心轨道上移动时，其内部周期性地弯曲时，就会发生潮汐加热。来自变化的引力的弯曲会在行星或卫星的内层产生摩擦，从而产生热量。潮汐加热在土卫二等多孔的、充满水的核心内将特别强大。事实上，来自卡西尼号的数据清楚地表明，土星的潮汐力深刻地影响着这颗微小的卫星——其喷发的喷流的亮度以及因此喷射出的物质的量会随着卫星围绕环状行星旋转而周期性地变化。显然，作为雾气和水蒸气通过冰的管道的烟囱状裂缝，在潮汐力的拉扯下时而被挤压在一起，时而被拉开，潮汐力也会产生大量的热量。
潮汐的转变
我们不知道的是，我们今天观察到的海洋是一种仅持续数千万年的短暂现象，还是一种持续存在数亿甚至数十亿年的卫星特征。答案取决于潮汐作用加热土卫二内部的时间长短，而这又取决于卫星如何影响土星及其卫星邻居土卫三 (Dione)。
为了理解这些潮汐相互作用，我们可以考虑我们熟悉的地球和月球系统，该系统与土星和土卫二的系统有一些相似之处。我们的月球在地球上引起潮汐，土卫二对土星也这样做。在地球海洋中，这些潮汐流由于与海岸线和海底的摩擦而逐渐消散——这种效应可以测量到地球自转速度的减慢。一百年后，这一天将比现在长两毫秒，地球将消耗足够的月球潮汐能，将月球轨道向外推近四米。同样，土星内部的潮汐摩擦会无限小地影响这颗巨行星的自转，同时增加土卫二与土星的距离和轨道偏心率。较高的偏心率转化为较大的潮汐效应——以及更多的热量——在土卫二内部。
正如这位艺术家的构想图所示，在土卫二炎热的内部渗透的 hydrothermal 流体可能会形成海底矿床。图片来源：Ron Miller
巴黎天文台的 Valéry Lainey 和他的合作者（包括 Tobie）最近对土星大型卫星的运动进行了详细分析，以便更准确地限制这颗巨行星内部潮汐摩擦的幅度。他们发现土星内部的潮汐摩擦至少比先前模型预测的大 10 倍。如果这是真的，那么这个更大的数字将意味着土卫二的轨道偏心率是稳定且持久的，从而允许强大的潮汐能够维持海洋至少数千万年，甚至可能更长的时间。土卫二的海洋持续存在的时间越长，生命在那里出现和繁荣的可能性就越大。
勇敢的新地下世界
与此同时，除了潮汐加热之外，还有第二个可能的热源需要考虑。当水渗透到硅酸盐岩石中时，它可以水合并改变某些矿物质的晶体结构，从而在称为蛇纹石化的过程中释放大量热量。在水在卫星多孔的、富含硅酸盐的岩石核心中易于循环的推动下，蛇纹石化可能产生数千兆瓦的功率，并成为土卫二内部热量预算的关键组成部分。只要新鲜的、未改变的矿物质与循环水接触，这种热量供应就会持续存在。但是，随着岩石在数百万年的时间里完全蛇纹石化，它将停止产生热量，并且在没有其他影响（例如潮汐摩擦）的情况下应该冷却下来。因此，似乎仅靠蛇纹石化很难长期维持全球海洋，以使生命前化学物质进化。
即便如此，蛇纹石化仍然可以为土卫二深处可能存在的生物圈做出贡献。在地球上，科学家们观察到蛇纹石化过程为失落之城和其他海底遗址的 hydrothermal vents 提供动力。除了产生热量外，这些反应还产生氢气、甲烷和其他有机化合物，这些化合物维持了微生物，而微生物构成了它们与世隔绝、缺乏阳光的生态系统的食物链基础。一些研究人员在研究此类生物时，想知道生命是否真的需要阳光。
最近，土卫二含水核心内部正在发生类似情况的想法得到了极大的推动：在 2015 年 10 月 28 日的最后一次近距离飞掠期间，卡西尼号比以往任何时候都更深入地进入羽流，以便其离子和中性质谱仪 (INMS) 寻找氢气。2017 年 4 月，INMS 团队报告说，他们确实探测到了氢气，氢气约占羽流蒸汽的 1%，这支持了蛇纹石化发生在卫星内部深处的想法。蛇纹石化可能对总热量预算的贡献不大，但羽流中氢气和甲烷的测量比率表明，所谓的产甲烷反应可能在 hydrothermal 遗址提供化学能来源。
在 20 世纪 80 年代后期，当时在苏格兰斯特拉斯克莱德大学的 Michael Russell 和他的合作者假设，碱性 hydrothermal vents 可能是早期地球上第一个生物体的诞生地。尽管地球上尚未发现任何碱性 hydrothermal vents，但 Russell 认为，此类遗址将提供相对良性但能量丰富的环境，在这种环境中，生命前化学物质可以酝酿形成现代膜、新陈代谢和自我复制分子的前体。很少有人认真对待这个想法，以至于在纯粹的学术圈之外进行讨论或辩论。
失落之城的发现引发了人们对 Russell 假设的新兴趣，将其推到了当代生命起源讨论的最前沿。现在，在土卫二内部发现类似的环境——以及它们可能存在于木星的木卫二等其他冰冷卫星中——正在催化我们思考太阳系其他地方生命可能性的另一种转变。生物学不必局限于阳光照射的岩石行星温暖潮湿的表面，而可能在更广泛的环境中扩散，全部或部分由放射性同位素、蛇纹石化或潮汐力产生的热量维持。土卫二和木卫二可能是冰山一角——暗示木星的木卫三 (Ganymede) 和木卫四 (Callisto)，以及土星的土卫六 (Titan) 和土卫一 (Mimas)，甚至矮行星冥王星也存在地下海洋。像我们一样对地球以外生命感兴趣的研究人员才刚刚开始探索这些推测性的可能性及其影响，但似乎越来越有可能的是，到目前为止，我们已经大大低估了宇宙的生物繁殖力。
目前，我们必须对冰冷卫星的内部是否真的提供地外宜居性的所有必要成分保持沉默。土卫二内部 hydrothermal 活动的持续时间和强度仍然是一个悬而未决的问题，而关于木卫二内部可能存在的 hydrothermal 活动的讨论几乎只是猜测。美国国家航空航天局 (NASA) 及其欧洲航天局 (ESA) 的对口机构都渴望找到这些问题的答案，并计划在 2020 年代末或 2030 年代初执行前往木星冰冷卫星的任务，以寻找类似土卫二的羽流。2017 年 9 月，卡西尼号完成了它的任务——坠入土星，以排除任何用地球生物污染土卫二或其他冰冷卫星的可能性。最终，新一代航天器可能会被送到那里进行原位探测，登陆卫星，甚至收集样本返回地球。目前，此类任务仅存在于天体生物学家的希望和梦想中——但也可能不会持续太久。