地外星体上的海洋是如何被发现的？｜以木卫二为例

地球，这颗蔚蓝星球上拥有着广袤的海洋，多种元素在它的怀抱汇聚，又随着水的循环去往世界各处，从这个角度看来，这颗星球上的无数生灵都与它有关。那么，在太阳系中，海洋是不是地球独有的珍宝呢？很长一段时间里，人类望着深邃孤寂的夜空，无法想象在那样遥远寒冷的地方会有大量液态水的存在，直到探测器传回了地下海洋存在的消息。

木星的卫星——木卫二欧罗巴就因为可能拥有海洋而闻名于地球。不过，它在外太阳系“离群索居”，还用厚厚的冰层遮掩海洋的真容，行星科学家是怎么破解这两个难题从而发现了木卫二的海洋呢？

两个难题

难题一：距离遥远

太阳系照片

（大小依比例，距离不依比例；图源wikipedia）

太阳是个神奇的大火炉，它以自身的质量形成强大的引力“吸引”着其他行星以它为中心“排排坐“，木星就携带着它的卫星们坐落在我们称为外太阳系的地方。我们的地球在内太阳系，内太阳系是相对其他行星而言更靠近太阳的区域，包括类地行星和小行星带。类地行星指水星、金星、地球和火星，小行星带则分布在火星轨道和木星轨道之间，包含了无数小行星，谷神星是其中最大的一颗。外太阳系距离太阳就比较远了，这里安居了巨行星和它们的卫星们，如木星、土星、天王星和海王星，跟它们庞大的身躯比起来，地球倒显得娇小可人。

灰线表示地球与太阳的距离 其平均值为一个天文单位

（图源wikipedia）

或许，想象外太阳系距离我们到底有多遥远还有些困难，天文学家们引进了这样一个概念——天文单位（AU）。这是一个天文学上的长度单位，1 AU≈1.496亿千米，地球到太阳的平均距离大概就是1 AU，而位于外太阳系的木星到太阳的距离约为5.2 AU。如果说将北京作为太阳所在地，将济南作为地球所在地，将二者之间的直线距离约300 km作为一个距离单位，那么根据比例计算，木星大概是住在拉萨了。

这还只是计算的直线距离，如果考虑到轨道等问题，那飞往外太阳系的路程长度更是一个难以想象的天文数字。尽管如此，不屈的人类依然将先驱者10号（Pioneer 10）和11号（Pioneer 11）、旅行者2号（Voyager 2）、伽利略号（Galileo）、新视野号（New Horizons）、朱诺号（Juno）等飞行器送抵了外太阳系，它们跨越了茫茫黑暗，为找寻地外海洋的前路带来一缕光芒。

难题二：冰层太厚

山脉上的雪线

（图源wikipedia）

在地球上，从山脚下登山，随着海拔升高，温度逐渐降低，直到在某一海拔高度处冰雪的累积和融化相平衡，形成永久性积雪，这一海拔高度就被称为雪线。从地球飞往外太阳系的过程跟登山的过程类似，距离太阳越远，获得太阳的能量越少，直到在某一位置的温度足够冷使得挥发性分子（如水、氨或甲烷）凝结成冰并稳定存在，这一位置到太阳的距离就被称为该分子的雪线，也被称为冻结线、霜线或冰线。水分子的雪线在离太阳不到5 AU的位置，那里的低温使得水分子凝结成冰，于是，在雪线以外的木星系统的表面便理应被冰层所覆盖。不过，由于巨大的内部热量等原因，木星本身没有被冰层所覆盖，但是它的一些卫星却被厚厚的冰层罩上了神秘的面纱。

部分冰卫星尺寸对比图

（蓝字表示确认地下海洋存在；Nimmo, F. and R. T. Pappalardo, 2016）

这些被厚厚冰层覆盖着的卫星被称为冰卫星，它们大小不一，有的在冰层之下拥有海洋，有的甚至可能含有金属地核。在这些冰卫星中，木卫二（Europa）、木卫三（Ganymede）、木卫四（Callisto）、土卫二（Enceladus）和土卫六（Titan）被确认在冰层下存在海洋。既然它们的表面皆被数十甚至上百千米的冰层所覆盖，探测器飞掠卫星表面的时候肯定无法直接“看到”海洋，那人们又是如何知道地下海存在的呢？

木卫二地下海洋的探测经历

木卫二欧罗巴（图源wikipedia）

木卫二在1610年被伽利略发现，是公转轨道距离木星第六近、直径和质量第四大的木星卫星。它的水冰表面有大量裂缝和条纹，深色区域是矿物含量较高的区域，右下角的白色区域为撞击坑。

木卫二内部结构

（图源wikipedia）

方法一：近红外线成像光谱仪

20世纪90年代，由美国国家航空航天局（NASA）于1989年发射的伽利略号探测器（Galileo）多次飞越木卫二，并对其使用近红外线成像光谱仪进行成像。不同物质的分子结构不同，对特定波长的红外线会产生特征性吸收，该仪器就是通过测量不同物质对不同波长近红外线的吸收情况进行成像的。如果木卫二的表面只遍布着水冰，那么仪器只会检测到水冰的特定吸收特征。但是，实际上除了检测到水冰以外，还检测到了硫酸镁等盐类物质的吸收谱峰。也就是说，木卫二上不是简单的“冰冻三尺”，它冷漠的冰层下还存在非冰化合物，比如已被检测到的盐类。由于液态水可以溶解这些盐类并可能通过木卫二上的裂缝将其源源不断地带到冰层表面，然后这些在表面保留下来的盐类被仪器所探测到，所以这一探测结果是地下海洋存在的间接证据。

木星的磁层

（图源wikipedia）

方法二：磁强计

同时，伽利略号还搭载了高灵敏度的磁强计，可以检测行星磁场。木星拥有巨大的磁场，处在这样磁场中的物体，如果内部不具有流动的电导体，那就不会再产生磁场，该物体周围的磁场就可以被很好地预测；反之，如果内部具有良好的电导体，如流动的盐水，那该物体就会产生感应磁场。该磁场的产生原理就是法拉第电磁感应定律，运动中的电导体切割磁力线会感应生成自己的电流和磁场，这种磁场就是感应磁场。当搭载磁强计的伽利略号飞越木卫二对其磁场进行探测时，结果跟预测的总有不同。这就是因为木卫二内部可能拥有上述所说的“良好的电导体”，于是，在木星的磁场中，拥有电导体的木卫二在运动的时候，就会切割磁力线，继而产生了被检测到的微弱但稳定的感应磁场。根据大量模拟，木卫二拥有的“电导体”，很可能是冰层下的盐水海洋。

地外海洋示意图

（NASA/JPL-Caltech/Southwest Research Institute）

方法三：近红外线成像光谱仪

除此之外，2013年，美国国家航空航天局（NASA）的哈勃空间望远镜观测到木卫二的水蒸气喷发，并分析认为这种喷发由海洋中的热水通过裂缝喷发到卫星表面并迅速凝结形成。随后，2016年到达木星的朱诺号搭载着微波辐射仪对冰卫星下的物质成分进行了深入探测。微波辐射仪可以发出不同频率的微波，不同物质对微波的吸收和反射的特性不同，产生的回波信号就不同，由此可以推断物质成分。在冰层较薄的位置，微波可以穿过数千米厚的冰层进行探测，其首次直接证实了木卫二内部确实存在广阔的海洋。

继续向星辰大海挺进！

我国天问系列探测任务

（图源https://weibo.com/2645044133/M6YrqfAVi）

对地外海洋的深入探索有助于加深人类对生命起源、内部结构、宜居性等问题的认识，人们对“星辰大海”的探索也一直在路上。欧洲航天局（ESA）的木星探测器（JUICE）在2023年4月发射，将在2030年左右到达木星系统对木卫二、木卫三和木卫四进行探索；美国国家航空航天局（NASA）也将在2024年10月份发射欧罗巴快船（Europa Clipper），预计于2030年4月到达木卫二进行探索。同样，我国的天问系列探测工程也在如火如荼地开展，预计在2030年前后进行木星系和行星际穿越探测任务“天问四号”。届时，飞向寒冷的外太阳系的探测器，将为人类带来更多生命起源的讯息。

美编：赵茹昕

校对：江淑敏 伍姝雨