科学家和美国宇航局官员在周四的新闻发布会上表示，太阳系外围的两颗卫星——木星的木卫二和土星的土卫二——正成为在太阳系其他地方寻找生命方面毋庸置疑的首选目标。在这两颗卫星的冰壳之下，都有着深邃的全球性液态水海洋，它们依靠所环绕的气态巨行星的潮汐引力而保持温暖。这些海洋中是否有生物存在仍然未知，但或许不久后就会揭晓。
在土卫二上，美国宇航局的卡西尼号宇宙飞船在从海洋通过月球表面冰层裂缝喷发到太空的水蒸气羽流中发现了分子氢——一种细菌的潜在食物来源，也是热液活动的迹象。在木卫二上，地球上的望远镜也发现了类似的羽流迹象，追踪到一个似乎重复出现的羽流——太阳系外围的“老忠实”，追溯到月球表面一个神秘的热异常点。这两项发现有力地支持了将未来寻找生命的探测任务送往这两颗卫星，作为美国宇航局新兴的“海洋世界”行星探索计划的一部分。
美国宇航局行星科学部门主管吉姆·格林说：“这些‘海洋世界’刚刚被发现。它们就在我们的太阳系中。我们需要探测它们，因为我们认为它们是当今可能存在生命的最佳地点之一。”
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土卫二上的自由能源
自卡西尼号在2004年抵达土星后不久首次发现土卫二的羽流以来，它一直在定期穿过土卫二的羽流。这些羽流完全出乎意料——没有人预料到这颗小型卫星上会有如此强烈的活动，它的大小大约相当于英国。飞船利用车载质谱仪嗅探羽流，发现它们不仅含有水蒸气，还含有氨、二氧化碳和甲烷等微量气体。它还寻找了氢，因为地球深海中的微生物利用氢与二氧化碳的反应来获得“自由能源”以驱动其新陈代谢。该反应产生甲烷作为副产品。2009年，当有报道称卡西尼号的质谱仪在羽流中发现了氢的迹象时，关于土卫二上的“产甲烷”微生物的讨论短暂地激增。但是，研究小组的成员将该信号追溯到水蒸气以每秒超过17公里的速度撞击仪器钛壁时发生分解。对于这项发表在《科学》杂志上的最新研究，研究小组设法以较慢的速度将羽流物质送入卡西尼号的质谱仪，而无需接触到仪器壁，从而排除了其他产生来源，并可以观察到从月球海洋中释放出的任何氢。他们的发现让他们感到震惊：氢气占羽流的1%至2%，这足以作为微生物生命的自由能源来源。
海德堡大学行星科学家弗兰克·波斯特伯格说：“1%或2%对大多数人来说听起来不多，但实际上非常多，这是一个惊人的数量。”他研究土卫二的羽流，但没有参与这项新研究。“分子氢在地球上几乎找不到，因为它非常轻且易挥发——它会被虫子吃掉，或与其他物质发生反应，或只是漂浮到太空中。”研究人员认为，如此大量的氢必须在月球内部的某个地方不断补充。在地球上，分子氢主要来自无生命的过过程，例如当热水在富含铁或有机分子的岩石中循环时。这会释放出气体，这些气体可以在海底热液喷口处流出，为形成光线不足的生态系统的食物链基础的产甲烷细菌提供营养。研究人员认为，在土卫二上，也必须发生类似的热液活动。
这项研究的主要作者、德克萨斯州圣安东尼奥市西南研究所 (SWRI) 的研究员亨特·韦特说：“这种自由能源对土卫二来说确实是一个游戏规则改变者。分子氢的存在表明，那里存在支持像产甲烷微生物这样的代谢系统的化学潜力。这表明我们发现了一种潜在的食物来源，可以支持土卫二内部海洋的宜居性。”
土卫二内部的任何生命是否能够真正利用分子氢作为食物来源还有待观察。SWRI的地球化学家、该研究的合著者克里斯托弗·格莱恩说：“你必须知道实际有多少自由能源——这种食物来源的卡路里是多少？”微生物可以从氢气中获得多少能量可能取决于关于这个隐藏的海洋的许多未知信息——其温度、盐度和碱度，以及磷和硫等其他营养物质的可用性。“土卫二正在向我们展示，‘这里是供应’。但关键问题是，‘需求是什么？’”
波斯特伯格说，土卫二富含氢气可以被视为该卫星没有生命的迹象。“如果你问我的话，它可能有点太多了。如果海洋中到处都是小生物，它们喜欢吃分子氢，它们可能不会让那么多氢到达地表并进入太空。”即便如此，氢的丰富也不能排除生物学的可能性，他说：“除了产甲烷之外，还有许多不同的新陈代谢类型——而且产甲烷可能只发生在海洋的局部区域。”
韦特说，氢气如此之多，它可能只是压倒了土卫二内部任何生物的食欲。“你可以这样想——你坐在家里，他们每小时送来一个披萨。在某个时候，你会放弃吃披萨，它会无处不在。可能只是有太多的食物无法吃完。”
木卫二上的老忠实
卡西尼号对土卫二羽流的发现和持续的仔细观察是推动人们对木卫二进行类似推测的关键因素。木卫二是一颗更庞大的卫星，比冥王星更大，因此更有可能拥有足够的内部热量来驱动热液过程和羽流。据认为，它的海洋拥有比地球上所有海洋更多的水，其冰壳厚度可能为15或25公里。然而，对木卫二的研究仅限于在地球上或太空中使用望远镜的观测，并结合来自美国宇航局伽利略号轨道飞行器的档案数据。伽利略号在1995年至2003年期间绕木星运行，多次飞越木卫二。（目前唯一在木星的探测任务——美国宇航局的朱诺号宇宙飞船，其轨道距离木卫二很远，不适合对这颗卫星进行详细观测。）
木卫二羽流的第一个明显迹象出现在2012年，当时由西南研究所天文学家洛伦兹·罗斯领导的哈勃太空望远镜观测到木卫二南极周围有一层水蒸气雾霾。这些早期的观测在2016年得到了加强，当时由马里兰州巴尔的摩市太空望远镜科学研究所的威廉·斯帕克斯领导的一个团队在更多的哈勃数据中发现了更多潜在的羽流。斯帕克斯的研究采取了不同的方法，当月球在木星明亮的面孔前呈现轮廓时，使用紫外线寻找从木卫二表面喷发出的羽流的黑色阴影。该研究揭示了几个似乎几乎随机地从木卫二表面涌出的羽流候选对象。然而，现在，其中一个可能已经被观察到第二次喷发。这些发现发表在《天体物理学杂志通讯》上。
斯帕克斯说：“当我们看到复发时，我们非常兴奋。因为如果你有一个难以观察且间歇性的现象，如果它真的重复出现，那么一切都会突然改变。它改变了这是真实的可能性的平衡。”
候选羽流首次出现在2014年3月拍摄的哈勃图像中；去年2月拍摄的另一张单独图像显示，另一个阴影状的羽流状特征从月球赤道附近的一个小区域喷发，该区域位于一个名为普维尔的中型年轻陨石坑的西北部。根据卡西尼号对土卫二的研究（显示该卫星的羽流来自相对于冰冷表面而言“热”的喷口），斯帕克斯的团队在从伽利略号数据得出的木卫二夜间侧热图中检查了该区域。
美国宇航局伽利略号宇宙飞船拍摄的这些木星卫星木卫二的图像突出了月球冰冷表面上的热异常。左图中的绿色椭圆轮廓标出了美国宇航局哈勃太空望远镜在2014年和2016年再次探测到的潜在水蒸气喷发羽流的可能来源位置。右侧的热图显示，羽流的可能来源与木卫二表面一个异常温暖的区域重叠。来源：美国宇航局、欧洲航天局、W. Sparks (STScI) 和 USGS 天体地质科学中心
斯帕克斯说：“令我们惊讶的是，我们发现了一个热异常点正好在我们刚刚确定潜在重复羽流的位置上。我认为我们现在已经超越了在哈勃望远镜能力边缘看到几个有趣特征的阶段，达到了现在必须倾向于（这些羽流）是真实存在的地步。”
假设这种对齐不是巧合，并且哈勃观测到的特征实际上是羽流，斯帕克斯和他的团队提出了两种可能的解释。“一种可能性是冰层下存在液态水，其热量向上流动，导致热异常，并且地表出现裂缝，从而导致羽流活动，”斯帕克斯说。这种“内部热”解释表明水仅在地表下两公里处。另一种可能性是，从下方喷发的羽流通过改变该区域的“热惯性”来产生异常。也就是说，羽流可能会改变地表冰的纹理和紧密度，形成致密、被雪覆盖的冰块和巨石，这些冰块在被遥远太阳的光线加热后，冷却速度比周围环境慢。
无论哪种情况，羽流的来源都可能是由破裂、杂乱的冰构成的“混沌区域”，这些区域太小，无法在伽利略号的图像中显示出来。研究合著者、佐治亚理工大学的行星科学家布里特妮·施密特开发了一个此类区域形成的模型，该模型表明这些区域与地壳中表面和内部海洋之间的浅层液态水库有关。“随着时间的推移，可能会形成水袋，并慢慢开始使地表破裂，”施密特说。“这可能就是其中之一。你会期望该区域更温暖，但在地表裂开之前，你不会看到太多任何活动的表面表现。”
斯帕克斯和他的同事们已经在设计其他方法，以便更深入地观察木卫二潜在的羽流——不仅使用哈勃望远镜，还使用其他在不同波长下工作的望远镜。美国宇航局的红外詹姆斯·韦伯太空望远镜计划于2018年发射，它有可能解决关于木卫二羽流的争论，斯帕克斯已经预定了该机构目前正在运行的索菲亚平台的观测时间，这是一个安装在改装的波音747飞机上的红外望远镜。
与此同时，其他天文学家已经开始检查他们自己的数据，以寻找木卫二上老忠实喷泉式羽流的佐证证据。在得知这一发现后，加州理工学院的天文学家迈克尔·布朗与研究生萨曼莎·特伦博一起，匆忙检查了他们最近使用欧洲南方天文台在智利的阿塔卡玛大型毫米/亚毫米阵列（ALMA）制作的木卫二向阳面的热图。热点也出现在他们的数据中。
布朗说：“（斯帕克斯团队的）热点确实是木卫二上比较奇怪的地点之一。”“它实际上比我们预测的向阳面要冷一些，而且温度在伽利略号夜间测量时变化不大。所以：内部热？也许。巨大的热惯性？也可能。”布朗说，在未来几个月内对ALMA的木卫二向阳面热图进行进一步分析，可以通过将其与伽利略号以前的夜间观测结果进行比较来阐明热点的来源。
未来的展望
然而，最终，木卫二和土卫二的奥秘可能需要派遣更多的航天器前往那里。
美国宇航局已经在开发木卫二快帆号，这艘航天器计划在2020年代发射，对木星的卫星进行45次飞掠，并配备最先进的仪器，这些仪器可以确认其假定的羽流，并将它们与宜居条件联系起来——或许还有隐藏在下方海洋中的生命。在众议院议员约翰·卡尔伯森（R-德克萨斯州）等有力倡导者的推动下，该机构还在考虑一个寻找生命的木卫二表面着陆器，尽管特朗普政府的预算提案没有为后一个项目提供资金。此外，欧洲航天局的木星冰卫星探测器——也称为JUICE——将在2024年进入这颗气态巨行星的轨道时研究木卫二。
关于土星的计划不太确定：在土星系统周围航行了十多年之后，卡西尼号任务现在燃料严重不足。即使它的燃料箱满了，它的仪器现在也是老古董，它们的设计初衷并非为了近距离详细研究羽流之类的现象。任务规划人员将在今年9月将该航天器坠入土星大气层，正是为了避免用任何地球生物的痕迹污染土卫二和其他有希望的土星卫星。今年秋天，在卡西尼号的烈火消亡之后不久，美国宇航局将为其“新前沿”计划选择一项新的行星际任务。但是，将航天器送往土卫二的多个提案将不得不与许多针对不同目的地的提案竞争。
施密特说：“这里的真正故事是，我们有机会为木卫二做我们已经为土卫二做过的事情。”“如果我们能让快帆号到达木卫二，那将非常酷。如果美国宇航局的新前沿计划选择土卫二任务呢？那么我们就可以在两个地方进行相同的科学研究。在木卫二，快帆号将能够做到，老实说，我们希望现在能在土卫二做的事情。”