卡西尼号证实土卫二恩克拉多斯存在全球海洋

An artist's rendition of the subsurface ocean of Enceladus

这张艺术家的演绎图展示了土卫二全球范围的地下海洋,这是基于美国宇航局卡西尼号任务在土星获得的新数据。各层相对大小未按比例绘制。之前的估计表明,该卫星埋藏的储水层是南极下方一个较小的透镜状海洋。

美国宇航局/喷气推进实验室-加州理工学院

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本文发表于《大众科学》的前博客网络,反映了作者的观点,不一定代表《大众科学》的观点


自从2005年美国宇航局的卡西尼号轨道飞行器在土星冰卫星恩克拉多斯南极的裂缝中发现了水蒸气羽流以来,研究人员一直在努力更多地了解这颗卫星神秘的内部,以期找到外星生命可能存在的居所。

多次飞越恩克拉多斯揭示了奇迹,包括在蒸汽羽流中的有机分子和盐类,这些都暗示了卫星深处,在一定规模的水库下方的热液活动

尽管有这些发现,研究人员仍在努力确定恩克拉多斯含水深度的尺寸。对该卫星引力场的仔细测量产生了喜忧参半的结果:一些理论家得出结论,认为南极下方只有一个小的透镜状海洋,这是附近土星的引力拉扯瞬间从冰中拧出的一丝水分。在这个被称为潮汐加热的过程中,土星的引力使地壳弯曲,产生摩擦,从而使内部变暖。在地质时间尺度上,这样的海洋将是短暂的事物,在解冻和冻结的循环中,这可能会排除生物学的出现。


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其他理论家则认为,卡西尼号的数据表明存在一个跨越整个卫星的海洋。虽然这种海洋更适宜生命存在,但却更难解释:恩克拉多斯是一颗小型卫星,只有亚利桑那州那么宽,没有足够的质量来轻易产生或维持如此广阔的液态水所需的巨大内部热量。

现在,来自卡西尼号的新数据提供了迄今为止最好的证据,证明恩克拉多斯拥有一个长期存在的全球海洋,而不是一个小的、短暂的海洋。研究人员没有依赖更多对恩克拉多斯引力场的研究,而是依靠七年来的恩克拉多斯表面图像来测量该卫星的天平动——即它在围绕土星轨道运行和旋转时的摆动方式。虽然轻微,但该卫星的摆动仍然足够大,足以排除地壳牢固冻结在岩石核心上的情况。这些发现发表在本周的期刊伊卡洛斯上。

“如果表面和核心刚性连接,核心将提供如此多的死重,以至于摆动将远小于我们观察到的,”卡西尼号科学家、加利福尼亚州SETI研究所的论文合著者马修·蒂斯卡雷诺说。“这证明一定存在一个全球性的液态层将表面与核心隔开。”

研究人员的最佳猜测是,摆动是由深度在26到31公里之间的全球海洋的晃动造成的,这是一个巨大的深渊,为我们所知的生命的出现和进化提供了丰富的机会。相比之下,地球海洋的平均深度为3.7公里,尽管我们的海洋面积更大,因为它分布在更大的区域。

“在行星的航天器探测之前,太阳系中大多数海洋都在外行星的卫星上,而且在地下,这种概念是荒谬的,”康奈尔大学在伊萨卡岛、纽约的卡西尼号成像团队成员、论文的主要作者彼得·托马斯说。“在此之前,人们对[恩克拉多斯]全球海洋的存在既有怀疑也有怀疑。我们提供了社区认识到的长期研究,这将为其存在提供良好的检验。”

随着恩克拉多斯全球海洋的存在不再受到怀疑,行星科学家们正在转向更深层次的谜团,即维持海洋的热量究竟来自这颗微小卫星的内部何处。一个诱人的想法是,土星的引力拉扯在恩克拉多斯内部产生的潮汐加热比之前认为的要多得多——这种可能性可能会刺激我们对恩克拉多斯以及土星内部模型的重大修订。通过研究这颗冰卫星的深度,我们也可能对这颗环状行星的内部运作获得新的见解。

除此之外,仍然存在一个重要的问题,即恩克拉多斯的深处是否有生物在游动。卡西尼号计划在今年十月最后一次深入穿过该卫星的羽流,在距离表面不到50公里的飞掠中嗅探更多线索。该任务将于2017年结束,届时将受控坠入土星大气层——这是一项预防措施,以避免地球上的任何搭便车微生物污染恩克拉多斯。

目前没有其他访问土星的计划和资金;可能要几十年后才会有另一艘航天器再次前往该系统。即便如此,由于这颗卫星拥有一个持久的海洋而不是短暂的海洋,我们可以肯定,无论我们何时选择返回,潜伏在恩克拉多斯内部的任何生命都将仍然在那里,等待着我们。

Lee Billings is a science journalist specializing in astronomy, physics, planetary science, and spaceflight, and is a senior editor at 大众科学. He is the author of a critically acclaimed book, Five Billion Years of Solitude: the Search for Life Among the Stars, which in 2014 won a Science Communication Award from the American Institute of Physics. In addition to his work for 大众科学, Billings's writing has appeared in the New York Times, the Wall Street Journal, the Boston Globe, Wired, New Scientist, Popular Science, and many other publications. A dynamic public speaker, Billings has given invited talks for NASA's Jet Propulsion Laboratory and Google, and has served as M.C. for events held by National Geographic, the Breakthrough Prize Foundation, Pioneer Works, and various other organizations.

Billings joined 大众科学 in 2014, and previously worked as a staff editor at SEED magazine. He holds a B.A. in journalism from the University of Minnesota.

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