土卫一：“我只是长得像死星，其实我很水！”

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外太阳系惊现新的海洋世界！其存在或揭示液态海洋形成之谜，更点燃寻找生命的新希望。

外太阳系充满了液态水。木星第四大卫星欧罗巴的冰壳下隐藏着咸水海洋，水量超过地球所有海洋的总和。土星的卫星恩克拉多斯拥有地下海洋，不断向太空喷射水蒸气羽流。更有引人遐想的迹象表明，木卫三、木卫四、土卫六等遥远卫星上也可能存在海洋。

图片来源：詹姆斯·普罗沃斯特（JAMES PROVOST）（CC BY-ND）行星科学家：艾丽莎·罗登（Alyssa Rhoden），美国西南研究院

如今，另一颗卫星似乎正悄悄被液体淹没。土星的卫星土卫一（Mimas）以其酷似《星球大战》中“死星”的外形而闻名，其冰壳之下可能藏着液态水。若属实，类似海洋可能就隐藏在我们眼前，而外太阳系或许比想象中更宜居。

2014年，科学家首次公布证据，指出土卫一可能是个“海洋世界”——这引发了长达十年的争论。现就职于科罗拉多州博尔德美国西南研究院的行星科学家艾丽莎·罗登（Alyssa Rhoden）在内的许多人，都对此高度怀疑。他们的理由很简单：木卫一表面布满陨石坑，完全没有显示出存在内部海洋的迹象。按理说，土星的潮汐力也会像搅动恩克拉多斯（Enceladus）的海洋那样，对土卫一施加近似的作用力，导致土卫一表面冰层出现大型裂缝。但迄今为止，现实中从未观测到这样的裂缝。

如今，形势可能已逆转。罗登团队与巴黎天文台瓦莱里·拉尼（Valéry Lainey）团队的两项研究，为土卫一的海洋存在提供了更有力的证据，甚至解释了表面未现裂缝的谜题。研究表明，土卫一的海洋可能较为年轻且处于变化中。若真如此，外太阳系或许正充满活跃的天体活动。这一可能性让罗登最为兴奋。她在接受《Knowable》杂志采访时，讨论了这个潜在的海洋及其对科学界的重大意义。

（以下采访内容已精简）

这些隐藏的海洋有什么特点？

从多方面看，它们与地球海洋相似——至少都可能是咸水。

我们知道这些海洋世界表面覆盖冰层，这是由其整体明亮的外观推测的。这一特点已通过望远镜和航天器对水冰特征的观测得到证实。部分海洋卫星的密度极低，内部岩石中很可能混有水冰。在热量作用下，水冰会融化成液态水，侵蚀岩石形成咸水。恰好恩克拉多斯的咸水正喷向太空，为我们提供了直接证据。

外太阳系如此寒冷，热量从何而来？

在外太阳系，乍看之下似乎不可能存在海洋。距离太阳如此遥远，融化冰层所需的热量极为稀缺。但多亏了一种引力怪象，外太阳系竟可能相当“温暖”。

以木星及其卫星欧罗巴（木卫二）为例。木星对欧罗巴施加了强大的引力，使欧罗巴沿着朝向木星的方向被拉伸，呈椭球状。由于欧罗巴的轨道是椭圆形的，它时而靠近木星，时而远离木星 。随着轨道变化，欧罗巴不断被拉伸和释放。这种过程在其内部产生摩擦，将动能转化为内能，从而提供了维持液态海洋所需的热量。

早在1979年，旅行者号探测器飞掠木星时，发现了欧罗巴可能拥有地下海洋的线索。欧罗巴的样貌与月球或内太阳系其他天体截然不同：其冰冻表面几乎没有陨石坑，取而代之的是交错的纹线和被移动过的破碎冰块。只需稍加观察，就能想象那里正发生着不同寻常的地质活动。

土卫一的表面与木星的卫星欧罗巴（Europa）及土星的另一卫星恩克拉多斯（Enceladus）截然不同。研究人员认为，欧罗巴和恩克拉多斯均藏有地下海洋。图片来源：土卫一NASA/JPL-Caltech/太空科学研究所；欧罗巴，NASA/JPL-Caltech/DLR；恩克拉多斯，NASA/JPL/太空科学研究所。

您提到表面特征，我们还能通过哪些证据探测隐藏的海洋？

要想探测隐藏的海洋，一种方法是观察磁场。由于盐水具有导电性，它会在卫星周围产生磁场，干扰行星的磁场。这是证明欧罗巴存在地下海洋的关键证据之一。

但仅靠磁场还不够。我们还需要综合多种证据才能得出结论。例如，还可以分析卫星表面的盐分含量，或测量卫星重力对探测器的牵引力。由于岩石、液态金属与液态水的密度不同，引力的大小可以提供有关物质成分及其分布位置的线索。

另一种方法是观察卫星在轨道运行中朝向的变化。通常，这类小卫星会始终以同一面朝向母行星，类似月球对地球。但随着卫星沿轨道移动，其朝向可能会稍微来回摆动，形成一种可见的“摇摆”。这种摇摆的幅度与卫星的内部结构有关。覆盖海洋的冰壳比覆盖岩石的冰壳更容易自由移动，因此摇摆幅度通常更大。恩克拉多斯的海洋正是通过这种方法被发现的，这也是证明土卫一存在海洋的最有力证据之一。

我们聊聊土卫一吧。您是如何开始研究这颗卫星的？

2014年关于土卫一的论文发表时，我已经花了大约十年的时间研究欧罗巴和其他冰卫星。这篇论文通过测量卫星的“天平动” [1] ，即卫星可见部分随轨道移动产生的摆动，提出土卫一内部可能存在地下海洋或形状奇特的岩核。

但拥有海洋似乎不可能，起初简直令人难以置信。土卫一的表面如月球般陨石坑遍布，既没有欧罗巴那样的交叉线条或破碎板块，也不像恩克拉多斯会喷发间歇泉。所以我当时看了一眼土卫一就断言：“这绝不可能是存在海洋的卫星。”但我又意识到，我无法完全否定这个想法。

多年来，土卫一始终萦绕在我脑海中。直到2023年，我在《地球与行星科学年度评论》上发表论文时，终于梳理清楚：论文排除了多种海洋假说，仅剩一种可能，即土卫一在自身形成后很久，才诞生了一个年轻的海洋。这种新形成的海洋可能隐蔽性更强，但当时这依然只是一个假设。

月球始终以同一面朝向地球，但因轨道倾斜和形状影响，月球会稍微来回摆动。这种摆动被称为“天平动”。NASA的这段视频还展示了月相变化。图片来源：NASA科学可视化工作室

近期的研究如何改变了我们的认知？

2024年初，瓦莱里·拉尼（Valéry Lainey）的团队报道了支持土卫一存在海洋的新观测证据。他们未研究天平动现象，而是通过分析土卫一轨道随时间的变化，而这些变化与卫星的内部结构有关。研究团队得出结论：异常岩核无法解释轨道变化，那片可能存在的海洋成为了土卫一轨道变化最合理的解释。

我团队于6月发表的研究进一步解释了为何从土卫一表面上观测不到裂缝。我们认为，这个海洋非常年轻——仅有约1000万年的历史，且最近海洋面积才停止扩张。年轻海洋因潮汐活动产生的应力可能不足以撕裂上层冰壳。相反，当海洋逐渐重新冻结时，才会产生足够的应力导致冰层破裂。由于土卫一轨道逐渐变圆，热量正在散失，重新冻结过程才刚刚开始，而只有这一过程才会导致冰层开裂。

研究表明，土卫一最终可能会失去这片海洋，这令人稍感遗憾。但换个角度看，土卫一或许会变成下一颗恩克拉多斯星——成为土星最酷的卫星，拥有深深的裂缝，甚至可能喷发水柱。

这项研究有哪些更深远的意义？

从地质物理角度看，该研究颠覆了我们的传统认知。我们曾认为太阳系早期是活跃期（所有地质活动集中于此），随后逐渐趋于平静。例如，冥王星的卫星卡戎（Charon）可能已失去海洋，欧罗巴和木卫三的海洋也相当古老。而土卫一在形成后很久还能孕育新海洋，并且我们还能观测到这一过程——这太令人兴奋了！这表明，即使是那些拥有古老、布满陨石坑的表面的天体，也有可能正在经历类似的转变。

研究还涉及宜居性议题，即这些海洋是否适合生命存在？目前我们尚不清楚，除地球外，太阳系其他海洋是否宜居、在过去或现在是否有生命存在。但若土卫一上面真有海洋，它将为我们打开一扇窗，以助我们窥探这些外星世界如何演化，甚至揭示栖息地的形成与消亡的过程。能直接观察这些过程，而非回顾遥远的过去、仅观察远古事件的最终状态，实在令人兴奋。

请观看一段艺术家创作的动画，这段动画展示了木星冰卫星探测器（Juice）在2023年4月发射后如何作业。这项欧洲空间局的任务预计2031年抵达木星，并至少用三年时间收集木星冰卫星的数据。图片来源：ESA / ATG Medialab

哪些即将开展的任务可以为我们提供更多信息？

欧洲空间局已发射木星冰卫星探测器（Juice），将对欧罗巴、木卫三和木卫四进行详细观测——后两者也显示出存在海洋的迹象。2024年秋季，NASA将发射欧罗巴快帆探测器（Europa Clipper），进入木星轨道，探测欧罗巴是否具备适合生命存在的条件。

在NASA未来任务的议程中，天王星系统被列为优先目标。而最近的研究成果在这一系统中具有重要意义。天王星系统与土星系统之间呈现出惊人的相似性，同样拥有冰质中等卫星（如类似土卫一和恩克拉多斯的卫星）。若土卫一存在年轻海洋，那么天王星的卫星中也极有可能隐藏着一片水世界——该推测并非遥不可及......

[1] "Libration"（天平动）是天文学专用术语，指天体因轨道运动和自转周期差异导致的视摆动现象。

作者：Shannon Hall

翻译：边颖

审校：7号机

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【互动问题：如果木卫一的海洋真的只有1000万年历史（相比地球海洋的40亿年非常年轻），这对我们理解太阳系其他天体的演化有什么启示？】

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