泰坦上的魔法岛

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主译：甘林

校对：酥油饼

审核：牧夫天文校对组

美编：余家劲

后台：王启儒

https://sorae.info/astronomy/20240119-magic-islands.html

土星的卫星泰坦表面存在着广阔的液态甲烷湖泊。在这些湖泊中分布着一些岛屿，研究人员在其中还发现了曾被短暂观测到之后便消失的“魔法之岛（Magic Islands）”。至今为止，这些魔法之岛是如何出现的，其形成机制尚不明确。

德克萨斯大学圣安东尼奥分校的于馨婷等人的研究团队，研究了多孔结构的有机物块体在甲烷湖中能够漂浮的条件，并指出这种情况满足作为“魔法之岛”被观测到的条件。这一现象与地球海洋中由浮石构成、短暂出现并最终下沉消失的“幻之岛”十分相似。

▲图1：在泰坦的里盖亚海（Ligeia Mare）中观测到的“魔法之岛”。与右上方的永久性地形不同，这些结构看起来是短暂出现的，但其出现原因至今仍不明确。
（图片来源：NASA、JPL-Caltech、ASI 与康奈尔大学）

泰坦湖泊中的“魔法之岛”

土星的卫星泰坦是除地球之外，唯一一个已确认在天体表面存在稳定液体的天体。由于拥有浓厚的大气层，并且存在天气现象和季节的变化，从某种意义上来说，泰坦可以被视为与地球相似的天体。不过，泰坦的平均气温约为零下 180℃，其表面的液体并非水，而是以甲烷为主的有机化合物。

▲图2：基于雷达观测制作的泰坦地图。图中可以看到大小不一的甲烷湖泊（以蓝色标示）。
（图片来源：NASA、JPL-Caltech、ASI、美国地质调查局〔USGS〕以及 T. Cornet〔欧洲航天局，ESA〕）

泰坦的表面已有部分区域被绘制成地图。在那里分布着大小不一的湖泊，其中包括面积超过日本列岛总面积的克拉肯海，并且在一些湖泊中还发现了岛屿。这些岛屿有的是真正长期存在的永久性岛屿，也有一些是在仅持续数小时到数周后便消失的岛屿。这种短暂存在、类似岛屿的结构在地球上被称为“幻岛”或“疑存岛”，而在泰坦上则被称为“魔法之岛（Magic Islands）”。

由于泰坦的地形只能通过雷达进行观测，因此关于“魔法之岛”的真实身份，目前除了它是容易反射电波的物体之外，几乎没有更多确定的信息。此前的多种推测认为，这些结构可能是由以下原因造成的：

• 湖面波浪产生的雷达反射

• 漂浮在湖面上的有机化合物块体

• 湖水中有机化合物导致的浑浊现象

• 由氮气形成的气泡

“魔法之岛”的真面目是有机化合物的“轻石”

▲图3：在泰坦环境中生成的有机化合物种类以及它们所具有的物理性质的总汇示意图
（图片来源：Xinting Yu 等）

于馨婷等研究人员认为，泰坦的“魔法之岛”可能是漂浮在甲烷湖上的固态有机化合物，因此他们调查了在泰坦低温环境下形成的固态有机化合物的种类与形态，以及这些物质是否能够漂浮在甲烷湖中。

首先，通过简单的计算可以得出结论：无论是哪一种有机化合物，在甲烷湖中都会下沉。这是因为所有固态有机化合物的密度都高于液态甲烷，并且甲烷的表面张力较低。另一方面，由于甲烷中已经溶解了大量有机化合物，因此与甲烷湖接触的有机化合物不会溶解并消失，这一点也得到了证实。

因此，研究人员进一步探讨了有机化合物块体是否可能形成类似低密度海绵的多孔结构。原本会下沉的有机化合物块体，如果其内部含有大量空隙，整体密度就会降低，从而有可能漂浮在甲烷湖中。多孔材料中产生的毛细管现象会增强表面张力，从而提供额外的浮力。

此外，即便这些块体最初能够浮在湖面上，随着时间推移，甲烷逐渐渗入空隙，使其密度增加并最终下沉，这也很好地解释了“魔法之岛”为何只是短暂存在的现象。

▲图4：2021 年福德冈之场喷发所产生的轻石铺满海面的情景。这种轻石筏看起来宛如岛屿一般。本研究认为，泰坦的“魔法之岛”可能正是由有机化合物构成的“轻石”所形成。
（图片来源：日本海上保安厅）

这些特征与地球上的轻石极为相似。仅从化学组成进行简单计算的话，轻石的密度其实高于海水，按理说并不应该漂浮在海面上。然而在现实中，由于内部存在大量空隙，其整体密度降低，因此能够漂浮在海水中。正如2021年福德冈之场火山喷发时那样，大量喷出的轻石形成了轻石筏，看起来宛如一座岛屿。随着时间推移，轻石会逐渐吸收海水并最终下沉。

于馨婷等研究人员通过计算指出，当孔隙率在 25%～60% 之间，且直径达到数毫米以上时，由有机化合物构成的“轻石”能够在甲烷湖中漂浮足够长的时间。此外，这些轻石很可能是在泰坦地表形成的。

最初，这些有机化合物以类似雪的细小、形状复杂的颗粒形式降落并堆积在地表，逐渐形成多孔的块体。随后，在自身重量的作用下如同冰川般流动，当它们抵达湖岸时，块体会向湖面伸出，并在波浪或潮汐活动的影响下破裂，变成如同漂浮冰山一般的碎块。这一过程与“魔法之岛”仅持续数小时到数周的寿命高度一致。

本次研究是否还能解开泰坦的另一个谜团？

泰坦的环境既具有在短时间尺度内变化丰富的独特性质，同时又由于距离地球十分遥远而难以进行观测，因此至今仍存在着许多未解之谜。出现在甲烷湖中的“魔法之岛”，只是其中的一个例子。

关于泰坦的另一个谜团，是湖面的异常平滑。虽然与地球相比规模要小得多，但人们预计泰坦的湖泊中仍然会存在微弱的波浪和潮汐活动。然而，雷达观测所测得的变化却远小于预期。于馨婷等研究人员指出，其原因可能在于甲烷湖表面覆盖着一层薄薄的由有机化合物构成的“冰”。由于这一现象与“魔法之岛”的形成过程相似，他们认为两者很可能是相互关联的现象。

责任编辑：甘林

牧夫新媒体编辑部

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泰坦地貌：朦胧的大气层、暗沉的沙丘以及镜面般光滑的湖泊。

图源：NASA / JPL

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