木卫二揭示部分秘密

长期以来,人们一直认为木星那谜一般的卫星木卫二冰冷的地壳之下蕴藏着巨大的海洋,但那个海洋里究竟有什么?它会到达地表吗?

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本文发表于《大众科学》的前博客网络,仅反映作者的观点,不一定反映《大众科学》的观点


木卫二:人眼可能看到的样子(颜色已调整,图片来源:NASA/JPL/Ted Stryk)

木星那谜一般的卫星木卫二长期以来一直被认为在其冰冷的地壳下蕴藏着巨大的海洋,但那个海洋里究竟有什么?它会到达地表吗?

自从“旅行者”号和“伽利略”号探测器探索木星系统以来,其卫星就呈现出一个非凡而引人入胜的谜题。在已知的67颗卫星中,最大的是伽利略·伽利雷在1600年代早期观察到的那些围绕木星庞大身躯运行的卫星——木卫一、木卫二、木卫三和木卫四。这些天体因其尺寸(木卫三的直径比行星水星大8%,木卫四的尺寸是水星的99%)和多样性而引人注目。


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木卫一是这四颗伽利略卫星中最靠近木星的卫星,是太阳系中除地球外唯一具有可观测火山活动的天体(而不是冰火山)。事实上,它表面布满了麻点,估计有400个活跃的火山结构。由于木卫一在木星巨大的引力场中呈椭圆形轨道运行,潮汐弯曲使其保持高温。

伽利略卫星——及其令人难以置信的多样性 (NASA)

木卫三和木卫四表面覆盖着污浊的水冰,据推测,它们各自都蕴藏着位于表面以下一百英里或更深处的液态水海洋。虽然木卫四的分异程度远低于木卫三,其内部层定义不那么明确,但这暗示了它经历过一段更寒冷的历史,那时的物质仍然没有在卫星自身的重力井中完全沉淀下来。

但木卫二或许是最大的谜团。航天器图像显示,其表面相对光滑,纵横交错着引人注目的结构——裂缝、板块以及巨大的冰块漂浮的迹象,这些冰块似乎曾经破裂并滚动到新的位置。一些“混沌地形”表明,在更温暖的液态水体之上存在物质。木卫二表面陨石坑相对较少,这也表明它很年轻,并且经常得到补充。

通过穿越木星自身强大的磁场而感应产生的磁场测量结果指向木卫二冰冻表面下的某个地方存在导电介质。化学成分丰富的水以液态形式存在,是最佳候选者。也许海洋向下延伸约 60 英里,足以填满地球海洋两次,并覆盖着厚厚的冰层。

这种海洋可能由折磨木卫一的同类潮汐弯曲以及温暖的岩石基底共同维持——这可能与我们在地球上发现的深海热液系统相似。

木卫二内部结构的一种假设 (NASA)

木卫二上的海洋为推测那里是否存在生命提供了充足的空间。许多条件似乎都合适;液态水和来自岩石内部的化学物质可能足以维持生物的生存。我们也知道,地球上大部分生命并不需要直接接触我们星球的表面——至少不是直接接触。

弄清楚木卫二是否可以维持地下生物圈的最大障碍之一是需要地球化学循环,特别是需要氧气来源来帮助驱动其化学引擎。暴露于木星周围恶劣辐射环境中的卫星表面可能是一个极好的资源——但前提是它没有与内部隔离。

现在,一项美丽的地球天文研究似乎揭示了木卫二的表面,甚至可能是地表之下的情况。迈克·布朗和凯文·汉德使用凯克天文台制作了这颗卫星表面非常精细的光谱图——他们在解析光频率方面做得比“伽利略”号航天器近距离观测时好 40 倍。

他们简而言之发现的是,以前未见的“盐”——硫酸镁,散落在木卫二的某些表面上。但这种镁化合物只存在于卫星的“后缘”面——即接收来自木星系统磁场和等离子体强大巢穴最严重粒子辐射的一侧。

有人认为,这种形式的硫酸镁是在辐射轰击木卫二后缘面并催化表面预先形成的硫酸盐(硫磺来自火山卫星木卫一)与某种含镁物质之间发生反应而产生的。但我们不认为镁只是漂浮在太空中——所以它一定来自木卫二本身。

作者指出,已知木卫二的地壳上也存在钠和钾,因此现在我们可以将镁添加到混合物中。它不像硫酸钠和硫酸钾那样容易被辐射从卫星的后缘面“溅射”掉,硫酸钠和硫酸钾往往会被去除,因此镁组分得到增强。

但如果镁并非总是以硫酸镁的形式存在(似乎仅在卫星的强辐射侧产生),那么它又是什么形式呢?最好的推测是,它与钠和钾结合在一起,与氯结合——并从深海到达地表。

换句话说,这是间接证据,表明木卫二的海洋中充满了氯化钠、氯化钾和二氯化镁。如果这些听起来有点熟悉,那应该是的。正如迈克·布朗在他的一系列精彩的解释性文章中指出的那样,如果你去舔木卫二,它可能会尝起来像一口地球海洋。

这也并非完全史无前例。最近对土星卫星土卫二喷出的水柱的测量也表明存在钠盐和钾盐(尽管是氯盐还是硫酸盐尚不清楚)。

接下来的步骤将是寻找氯的存在——当它们以固态存在时,这很棘手,但当它们蒸发到太空时就没那么棘手了。从长远来看,所有这些都增加了一个证据体系,表明木卫二不仅确实拥有内部液态海洋,而且海洋以某种方式到达地表,带来盐分以及可能存在的其他物质。

这也将为地表物质返回海洋、携带化学能提供机会。因此,我们有可能开始看到一个真正外星世界的内部运作,这个世界可能会在未来几年带来更多惊喜。

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