外太阳系充满了液态水。木星第四大卫星木卫二的冰冷外壳下隐藏着一片咸水海洋——其水量超过地球所有海洋的总和。土星卫星土卫二上的地下海将水蒸气柱喷射到太空。还有诱人的迹象表明，木卫三、卡里斯托、土卫六和其他遥远卫星上也可能存在海洋。
现在，又一颗卫星似乎也在秘密地被水淹没。土星卫星弥玛斯，因其与《星球大战》中的死星惊人地相似而闻名，可能在其冰壳之下蕴藏着液态水。如果这是真的，类似的海洋可能就隐藏在眼皮底下，外太阳系可能比之前认为的更宜居。
2014年，科学家首次发表证据表明弥玛斯可能是一个水世界——这让科学界陷入了长达十年的争论之中。包括科罗拉多州博尔德市西南研究院的行星科学家艾丽莎·罗登在内的许多人，对此可能性持高度怀疑态度。他们的理由很简单：弥玛斯布满陨石坑的表面没有显示出内部海洋的迹象。与土卫二一样，土星的引力应该搅动弥玛斯内部的海洋水，导致表面冰层出现巨大的裂缝。但至今尚未观察到此类裂缝。
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现在，潮汐可能已经转变。罗登及其同事的一项研究和巴黎天文台的瓦莱里·莱尼及其同事的另一项研究，为海洋的存在提供了更有力的证据，甚至解释了表面上的谜团。这两项研究共同表明，弥玛斯可能拥有一个年轻且不断变化的海洋。如果是这样，这提高了外太阳系充满活力的可能性。这种可能性最令罗登兴奋，她与Knowable Magazine 谈论了潜在的海洋，以及为什么它可能对科学家如此有益。
本次对话已编辑，以精简篇幅并提高清晰度。
关于这些隐藏的海洋，我们了解多少？
在许多方面，它们看起来像我们自己的海洋——至少在它们可能由盐水组成这一点上是如此。
我们知道，这些海洋世界拥有冰冷的表面，这可以从它们整体明亮的外观中看出，望远镜和宇宙飞船的测量结果也证实了水冰的特征。一些海洋卫星甚至具有足够低的密度，表明它们内部可能混合了水冰和岩石。在热量的作用下，水冰融化成液态水，液态水会侵蚀岩石，形成盐水。在土卫二上，盐水很方便地喷射到太空中。
鉴于外太阳系如此寒冷，是什么产生了热量？
遥远的海洋起初似乎是不可能的。在离太阳如此遥远的地方，很难获得融化冰的热量。但由于一个引力上的奇点，外太阳系可能非常温暖。
以木星及其卫星木卫二为例。木星对木卫二施加强大的引力，使木卫二在木星方向上拉长。由于木卫二的轨道是偏心轨道——它会先靠近木星，然后再远离——木卫二会随着时间的推移被拉伸和释放。这会在内部产生摩擦，从而提供维持液态海洋所需的热量。
当我们于1979年旅行者号任务飞掠木星时，我们首次看到了木卫二可能存在地下海洋的迹象。木卫二看起来不像我们的月球，甚至不像内太阳系中的大多数天体。其冰冷的表面没有很多陨石坑，而是布满了纵横交错的线条和移动过的破碎碎片。您不必非常仔细地观察它，就能想象那里正在发生一些不同的事情。
您提到了表面特征。我们还依靠哪些其他证据来探测隐藏的海洋？
一种方法是观察磁场。由于盐水是导电的，因此它可以在卫星周围产生磁场，从而扰乱行星的磁场。这是木卫二地下海洋的主要证据。
但这还不够。多种证据结合在一起才能让我们得出存在海洋的结论。例如，我们还可以考虑表面盐分的测量结果，以及卫星的引力如何牵引宇宙飞船。由于岩石或液态金属的密度与液态水的密度不同，因此这些牵引力的大小为物质提供了线索，以及物质在卫星内部的集中位置。
或者，我们也可以简单地对卫星的面孔在其轨道上如何改变方向进行成像。一般来说，这些小卫星总是像我们的月球一样，始终将其同一面朝向其母星。但是，当卫星在其轨道上移动时，其指向的方向可能会稍微来回移动——在可见部分产生摆动。摆动的程度取决于内部结构。海洋上方的冰壳比岩石上方的冰壳移动更自由，因此变化往往更大。这就是土卫二上海洋的探测方式。这也是弥玛斯海洋的最佳证据之一。
让我们来谈谈弥玛斯。您是如何开始研究这颗卫星的？
当2014年关于弥玛斯的论文发表时，我已经花了大约十年时间研究木卫二和其他冰卫星。那篇论文测量了摆动或天平动，即卫星的可见部分发生移动，表明弥玛斯要么拥有地下海洋，要么拥有形状奇特的内核。
但是海洋似乎是不可能的。弥玛斯看起来很像我们的月球，表面布满了陨石坑。它没有像木卫二那样布满纵横交错的线条或破碎的碎片。当然，它也没有像土卫二那样喷射间歇泉。因此，我看了一眼弥玛斯，就说：“不可能，那不可能是海洋卫星。” 然而，我意识到我无法反驳这个观点。
多年来，我一直将弥玛斯放在心上，最终在2023年为《地球和行星科学年度评论》撰写了一篇论文。那篇论文排除了几种海洋情景，只留下了一种选择，即最近形成的海洋，远晚于弥玛斯本身。年轻的海洋可能是隐秘的。但这仍然只是一个假设。
最近的工作如何改变了局面？
2024年初，瓦莱里·莱尼及其团队报告了支持弥玛斯存在海洋的新观测证据。他们没有观察天平动，而是观察了弥玛斯轨道随时间的变化——这些变化取决于内部结构。他们发现，这些变化无法用形状奇特的内核来解释，因此海洋是最可行的选择。
我的团队的研究于6月发表，进一步解释了表面缺乏可见裂缝的原因。我们认为，海洋非常年轻——仅有1000万年的历史——以至于它只是最近才停止增长。我们认为，年轻的、翻腾的海洋的潮汐应力可能不足以使上方的冰层破裂。相反，真正需要的是海洋最终重新冻结时产生的应力。由于弥玛斯的热量正在流失，其轨道也随着时间的推移变得不那么偏心，因此重新冻结——在弥玛斯上才刚刚开始——将导致上覆的冰层破裂。
研究表明，弥玛斯最终可能会失去其海洋，这有点令人伤感，因为它才刚刚被人们认识到。但从另一方面来说，弥玛斯可能会成为新的土卫二——土星新的最酷的卫星——拥有深深的裂缝，甚至可能喷射出水柱。
这项研究的宏观意义是什么？
我从地球物理学的角度对此感兴趣。我们认为太阳系最早的时期是炎热的时期，所有活动都发生在这个时期，然后一切都演变成更安静的状态。冥王星的卫星卡戎可能已经失去了海洋。木卫二和木卫三的海洋已经非常古老。一颗卫星可能在其历史的后期形成新的海洋，并且我们可以亲眼目睹？这太令人兴奋了！它开启了一种可能性，即任何世界，包括表面古老且布满陨石坑的世界，都可能正在经历类似的转变。
还有对宜居性的兴趣——这些海洋是否适合支持生命。我们目前不知道太阳系中除了我们自己的海洋之外，是否还有其他海洋是宜居的、曾经宜居的或目前宜居的。但如果弥玛斯真的拥有海洋，我们就可以了解这些世界是如何发展的，甚至了解栖息地是如何产生和消失的。能够看到这些过程的发生——而不是总是看到很久以前发生的事件的最终状态，这令人兴奋。
哪些即将到来的任务可以告诉我们更多信息？
欧洲航天局已经发射了木星冰卫星探测器，简称Juice，它将对木卫二以及木卫三和卡里斯托卫星进行详细观测，这些卫星都显示出海洋的迹象。2024年秋季，NASA将把木卫二快船号送入木星轨道，以确定木卫二是否具备适合生命存在的条件。
天王星系统在NASA未来任务的议程中占据重要地位，我从中看到了这项最新工作的最大意义。它与土星系统非常相似，包括拥有富含冰的中等卫星，类似于弥玛斯和土卫二。如果弥玛斯上存在年轻的海洋，那么考虑到天王星的卫星中也可能存在水世界，这并不是一个巨大的飞跃。
本文最初发表于Knowable Magazine，这是年度评论的独立新闻事业。注册新闻通讯。