意料之外：这颗“死星”或藏有一个年轻海洋

土星的卫星Mimas漂浮在行星的环带上，可能在其表面下隐藏着一个液态海洋。图源：NASA/JPL/SPACE SCIENCE INSTITUTE

导读：

太阳系的外围再添一个水世界，或能揭示此类海洋的成因，并为寻找生命提供新的可能性。

Shannon Hall | 作者‍‍

纪璇 | 翻译‍‍‍‍‍‍‍

陈晓雪 | 责编‍‍‍‍

外太阳系（outer solar system），即太阳系的外围，充满了液态水：在木星的第四大卫星木卫二的冰壳下，隐藏着一个水量超过地球所有海洋总和的咸水海洋；土星的卫星土卫二通过羽流向太空喷射出水蒸气；此外，在木卫三、木卫四、土卫六以及一些更遥远的卫星上，也发现了可能存在海洋的迹象。

现在，科学家发现又一颗卫星可能隐藏着海洋。土星的卫星土卫一，因为一个巨大的陨石坑，外观酷似《星球大战》中的“死星”。它的冰壳下，可能藏有液态水的海洋。如果这是真的，海洋的存在可能比我们预想的更加普遍。更多的海洋或许正隐藏在我们的视线内，外太阳系也许比我们想象的更适宜居住。

2014年，科学家首次提出土卫一可能拥有液态海洋的证据。这一发现引发了长达十年的激烈争论。包括科罗拉多州博尔德市西南研究所的行星科学家 Alyssa Rhoden 在内的许多人，对此持高度怀疑态度。他们的理由很简单：土卫一布满陨石坑的表面与内部海洋的存在相矛盾。如果土卫一内部有海洋，土星的引力应该会搅动海水，导致表面冰层出现巨大的裂缝，就像土卫二那样。但目前，科学家还没有发现这样的裂缝。

现在，形势已经逆转。最新的两项研究提供了更有力的证据（一项是Rhoden 等的工作，2024年6月1日发表于Earth and Planetary Science Letters，另一项为巴黎天文台Valéry Lainey和合作者的工作，2024年2月发表于Nature），支持土卫一存在海洋，甚至解释了表面布满陨石坑的谜题。

这两项研究共同表明，土卫一可能拥有一个年轻且不断变化的海洋。如果属实，这意味着外太阳系可能存在活跃的地质活动。这个可能性让Rhoden 非常兴奋。她在接受《Knowable Magazine》采访时，谈到了这个可能存在的海洋，以及它为何对于科学家们是如此大的喜讯。

行星科学家Alyssa Rhoden

CREDIT: JAMES PROVOST (CC BY-ND)

（为简洁清晰起见，我们对本次对话进行了编辑。）

Q：我们对这些隐藏的海洋了解多少呢？

A：它们在很多方面都很像我们地球上的海洋——至少它们很可能都是咸水组成的。

我们推测这些海洋世界表层被冰覆盖，因为它们的表面非常光亮，望远镜和航天器的观测也证实了水冰的存在。一些冰卫星的密度较低，说明它们的内部岩石中可能混有水冰。在热量作用下，这些水冰融化成液态水，侵蚀岩石，形成咸水。在土卫二上，咸水甚至直接喷射到太空中。

Q：外太阳系如此寒冷，是什么产生了热量？

A：这些遥远的海洋乍一看似乎不太可能存在。远离太阳使它们很难获得足够的热量来融化冰层。然而，由于引力的作用，外太阳系的天体实际上可以保持相当温暖。

以木星及其卫星木卫二为例。木星对木卫二施加了强大的引力，使木卫二在与木星连线方向上被拉长。由于木卫二的轨道是椭圆形的——它时而靠近木星，时而远离，靠近时引力作用加强，远离时引力作用减弱，导致木卫二不断被拉长和放松。这一过程中，木卫二内部产生摩擦，提供了维持液态海洋所需的热量。

1979 年，旅行者号探测器掠过木星时，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，甚至不像太阳系内的大部分天体。它的冰面没有太多陨石坑，而是布满了纵横交错的线条和四处移动的碎片。你不用仔细观察就能想到那里正在发生一些不同于月亮上的事情。

土卫一（左侧，Mimas）的表面与木卫二（中间，Europa）和土卫二（右侧，Enceladus）的表面截然不同。木卫二和土卫二都被认为隐藏着海洋。图片来源：MIMAS，NASA/JPL-CALTECH/空间科学研究所。EUROPA，NASA/JPL-CALTECH/DLR。ENCELADUS，NASA/JPL/空间科学研究所。

Q：你提到了卫星表面的外观特征。我们还能依靠什么其他证据来探测隐藏的海洋？

A：一种方法是观测磁场。由于盐水具有导电性，卫星的隐藏海洋可以在其周围形成磁场，从而扰乱其绕行的行星的磁场。这是木卫二存在地下海洋的主要证据。

但是，仅凭磁场证据还不足以得出结论。我们之所以能够断言木卫二内部有液态海洋，是因为有其他证据相互支持，比如卫星表面上的盐含量。此外，我们还会利用航天器精确测量卫星的引力场。由于岩石或液态金属的密度与液态水不同，不同的组成成分和不同分布都会对引力场有不同的影响。因此，对卫星引力场的探测可以揭示其内部结构。

或者更简单，只是看卫星在轨道运动时朝向的变化也可以用来探测它的内部结构。这些小卫星总是像月球一样，通常，它们始终以同一面朝向它们绕转的行星。但实际上，随着卫星在轨道上的运动，它的朝向会有轻微的来回摆动，这样能被看到的一面就会发生摇晃。这种摆动的幅度取决于卫星的内部结构。相比覆盖在岩石上，冰壳覆盖在海洋上时能更自由地移动，因此摆动幅度通常更大。科学家正是用这种方法发现了土卫二存在海洋，这种摆动现象也是支持土卫一有海洋的重要证据之一。

月球总是用同一面指向地球，但由于月球轨道不是正圆而且有些倾斜，它会随着时间略微摆动。这种摆动被称为天平动。图片来源：NASA 科学可视化工作室

Q：让我们聊聊土卫一吧，你是怎么决定研究这颗卫星的？

A：在2014年发表关于土卫一的那篇文章之前，我已经花了大约十年的时间研究木卫二和其他冰卫星。那篇文章通过测量土卫一可见部分的摆动，也就是天平动，表明土卫一要么拥有一个地下海洋，要么有一个畸形的内核。

海洋似乎是不可能的。土卫一看起来很像我们的月球，表面布满陨石坑。它没有木卫二表面上那样的纵横交错的线条或破碎的碎片，更没有像木卫二那样喷出的羽流。所以我看了一眼土卫一，然后说：“这不可能是一颗有海洋的卫星。” 但我意识到自己并不能彻底反驳这种可能。

多年来，我一直在思考土卫一的问题。2023 年，我为《地球和行星科学年鉴》  撰写了一篇论文，把所有研究和想法汇总到一起。那篇论文排除了几种不同的海洋情景，只留下一种可能，即海洋是在土卫一形成之后很久，“最近”才出现的。年轻的海洋有可能非常隐秘。但那时这仍然只是一个假设。

Q：最近的研究是如何改变这一局面的？

A：2024年早些时候，Valéry Lainey和他的团队 提供了新的观测证据，支持土卫一海洋的存在。他们没有研究天平动，而是观测了土卫一轨道随时间的变化，这些变化取决于土卫一的内部结构。研究发现，这些变化无法用奇特形状的内核来解释，因此海洋是最可能的解释。

我们团队于6 月发表的研究进一步解释了为什么土卫一表面没有可见的裂缝。我们认为，这个海洋非常年轻，大约在1000万年前形成，并且直到最近才停止生长。我们认为，年轻海洋的潮汐应力不足以导致上方冰层开裂。相反，只有在海洋重新冻结时产生的应力才能使冰层出现裂缝。由于土卫一的轨道偏心率随着时间逐渐减小，土卫一正在逐渐冷却，这会导致海洋重新冻结，从而使冰层开裂。这一重新冻结的过程在土卫一才刚刚开始。

我们的研究表明，土卫一最终可能会失去海洋，这令人有些遗憾，因为它才刚刚被发现。但另一方面，土卫一可能会长成类似于土卫二的新样貌——成为土星最引人注目的卫星，拥有深深的裂缝，甚至可能出现喷流。

Q：这项研究的宏观意义是什么？

A：从地球物理学的角度，我认为这非常有趣。我们通常认为太阳系早期是最活跃的时期，各种地质活动在那时发生，然后一切趋于平静。比如，冥王星的卫星卡戎可能已经失去了海洋，而木卫二和木卫三的海洋也相当古老。然而，这颗卫星却在其晚期形成了新的海洋，它正在续写它的历史，而且我们正好可以观测到这一过程？这太令人兴奋了！它开启了一种可能性，即任何天体，包括表面古老、布满陨石坑的天体，都可能正在经历类似的活跃的地质变化。

人们对这项研究的另一个关注点是宜居性——这些海洋是否适合生命生存。目前，我们还不知道太阳系中的其他海洋是否适合生命、是否曾经存在生命，或者是否现在仍然存在生命。然而，如果土卫一真的存在海洋，我们将有机会研究这些海洋的形成过程，甚至了解宜居环境是如何形成和消失的。最令人兴奋的是，土卫一让我们得以亲眼观察这些过程的发生，而不是仅仅从它们的结局去推测过去发生的事情。

Q：有哪些与之相关的未来的太空探索的任务吗？

A：欧洲航天局已经发射了木星冰卫星探测器（Juice），它将对木卫二，以及木卫三和木卫四进行详细观测，这些卫星显示出海洋存在的迹象。2024 年秋季，NASA将发射木卫二探测器（Europa Clipper）进入木星轨道，以确定木卫二是否具备适合生命存在的条件。

天王星系统是NASA 未来任务计划中的重点。我认为天王星系统对我们的研究具有重要意义。它与土星系统惊人地相似，拥有类似于土卫一和土卫二的富含冰的中型卫星。如果土卫一上存在一个年轻的海洋，那么很自然地可以想到，天王星的卫星可能也存在海洋。

截图来自视频：https://youtu.be/rsiGmxLQgX0 。观看这段艺术家对木星冰卫星探测器（JUICE）在2023年4月发射后展开过程的创意演示。JUICE是欧洲航天局的任务，预计将于2031年到达木星，并在那里至少工作三年来收集有关这颗巨行星的冰卫星的数据。

本文于2024年8月7日发表于Knowable Magazine，标题为“Saturn’s moon Mimas may hide a surprisingly young ocean”，《赛先生》获授权翻译并转载。

原文链接：https://knowablemagazine.org/content/article/physical-world/2024/Mimas-Saturn-moon-young-ocean-world-habitability

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本文转载自《赛先生》微信公众号

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