太阳娱乐登录卡西尼发现土卫二全球性海洋,土卫二的冰下海洋

太阳娱乐登录 1根据卡西尼探测器连续多年拍摄的土卫二照片,天文学家发现这颗冰卫星在绕着土星公转的过程中会发生极其轻微的摇摆。这种摇摆只有一个解释,那就是这颗卫星的冰壳之下,存在一个覆盖全球的液态水海洋。图片来源:NASA/JPL-Caltech

太阳娱乐登录 2科学家发现,土星的冰冻卫星土卫二冰下的海洋底部,存在热液活动,温度至少可达90℃。图片来源:ESA

根据美国航空航天局(NASA)的卡西尼探测器(Cassini)发回地球的数据,一项新研究证明,有着活跃地质活动的土星冰卫星土卫二(Enceladus)的冰壳之下,存在着一个全球性的液态水海洋。

正在环绕土星展开探测的卡西尼探测器(Cassini)探测到了细小的岩石颗粒,表明在土星的冰冻卫星——土卫二恩克拉多斯(Enceladus)的海底正发生着热液活动。

科学家发现,这颗卫星在环绕土星公转的过程中,本身会发生极其轻微的摆动。只有当这颗卫星外侧的冰壳与内部的核心没有冻结为一体的情况下,如此幅度的摆动才能够得到解释。这就意味着,这颗卫星的冰壳之下必定存在一个全球性的海洋。

这一发现为以下这种诱人的可能性增加了可信度,即这颗卫星可能拥有适宜生命生存的环境。

卡西尼探测器已经在土卫二南极附近冰裂隙中喷出的物质里检测到了水蒸气、冰颗粒和简单的有机分子。这一发现暗示,那些东西都来自于这颗卫星冰下巨大的全球性海洋。

2005年,卡西尼探测器发现,土卫二南极地区的裂隙在向外喷射冰和水蒸气构成的喷泉。自那时以来,了解这颗直径500千米的卫星的内部结构,就一直是卡西尼探测任务的重中之重。

此前对卡西尼数据的分析暗示,这颗卫星南极地区的冰壳之下存在一片透镜形状的水体,也就是冰下海洋。然而,探测器在几次近距离飞掠土卫二南极地区时采集的重力数据,支持了另外一种可能性,也就是这片冰下海洋可能是遍布全球的。而此次的新发现,完全是依据卡西尼拍摄的土卫二图像,从另外一个独立的证据链上证实了土卫二冰下全球海洋的存在。

卡西尼发现,这些喷泉中的冰颗粒富含纳盐,暗示这些水与岩石有过接触。后续对这颗卫星引力场所作的测量,揭示出这颗卫星南极地区厚达30–40千米的冰壳之下,有着一片深达10千米的地下海洋。

美国康奈尔大学的卡西尼成像团队成员、这项研究的主要作者彼得·托马斯(Peter
Thomas)说,“这是个艰巨的任务,需要进行好几年的观测,计算也涉及到不同坐标系的整合,但我们最终算对了,我们有这个信心。”

现在,科学家对卡西尼探测器采集的数据进行了长达4年全面的研究,再结合计算机里的模拟和实验台上的实验,科学家对土卫二地下海洋底部正在发生的化学反应,已经有了更加深入的了解。

卡西尼团队的科学家分析了探测器在7年多的时间里拍摄的土卫二照片。为了极其精确地测量土卫二绕土星公转时发生的变化,科学家在成百上千张照片上仔细标记了土卫二表面细节特征的位置,绝大多数都是长相雷同的撞击坑。

利用卡西尼上的宇宙尘埃分析仪,科学家发现了一类细小的尘埃颗粒,直径只有2–8纳米,环绕着土星运行。这些颗粒富含硅元素,与土星周围包括著名的土星光环中主要由水冰构成的颗粒截然不同。

结果,他们发现土卫二在环绕土星公转时,存在细微却测量得到的摆动。由于这颗冰质卫星并非完美球体,而且在环绕土星轨道的不同位置上速度也会时快时慢,因此土星这颗巨行星就会在土卫二自转时轻微地摇摆这颗卫星。

科学家认为,这些富含硅的颗粒源自土卫二的海底,也就是热液过程发生的地方。在那个海底,热水至少达到90℃,溶解了这颗卫星岩石内部的矿物质。这些热能的来源还不太清楚,但可能与土卫二环绕土星运转而产生的潮汐加热、卫星核心的放射性元素衰变,以及化学反应都有关联。

研究团队将他们对于土卫二摇摆的测量,与描述不同内部结构的土卫二模型进行了比较,包括这颗卫星从核心一直冻透到地表的模型。

热水向上涌起,遇到温度较低的海水,导致这些矿物质析出,形成漂浮在海水之中的纳米“硅酸盐”颗粒。

美国SETI研究所的卡西尼任务科学家、研究合作者之一马修·提斯凯尔诺(Matthew
Tiscareno)说,“如果土卫二的地表与地核紧紧连接在一起,核心就会增加太多的质量,导致土卫二摇摆的幅度远远小于我们今天观测到的情况。这就证明,必须存在一个全球性的液态层,将地表与地核分隔开来。”

为了不至于长到太大,这些硅酸盐颗粒必须在最多几个月到几年的时间里,就从海底上浮到海洋表面,在连接海洋和土卫二地表的喷口中跟更大的冰颗粒相结合。这些颗粒通过土卫二的喷泉被抛入太空之后,水冰逐渐升华,将细小的岩石颗粒释放出来,最终被卡西尼探测器检测到。

阻止土卫二冰下海洋冻结成冰的机制,目前仍然是谜。托马斯及其同事提出了一些想法,在作进一步研究之后或许有助于解决这个问题。其中一个想法是,土星的引力潮汐力在土卫二内部能够产生的热量,可能远远超出此前科学家的预期。

太阳娱乐登录 3卡西尼拍摄到的土卫二南极地区的物质喷流。图片来源:NASA/ESA

逐步揭开土卫二的秘密,是卡西尼对土星漫长探测任务的重大成就之一。科学家在2005年初首次探测到这颗卫星在向外喷出冰喷泉,后续的一系列发现揭开了从南极附近的冰裂隙中喷出的物质的构成。2014年,科学家宣布发现了强有力的证据表明土卫二南极冰下存在局域性海洋,而在2015年,他们又宣布发现土卫二的地下海洋底部正在发生热液喷口活动。

美国科罗拉多大学博尔德分校的博士后研究人员许翔闻(Sean
Hsu)说,“能够利用这些被喷泉抛入太空的细小岩石颗粒,揭露出一颗冰冻卫星海洋底部甚至海底之下的环境,这让我们极为兴奋。”他是3月11日发表在《自然》杂志上的相关论文的领衔作者。

卡西尼计划在10月28日再次近距离飞掠土卫二,从这颗卫星活跃的冰喷泉中穿过,靠近程度堪称史无前例。最近时,卡西尼探测器距离土卫二表面将只有49千米。

在地球上,硅酸盐颗粒存在于沙子和石英矿物之中。科学家认为,形成细小硅酸盐颗粒的最常见途径,是特殊环境条件下的热液活动。确切地说,含盐量中等的弱碱性水中如果含有过饱和的硅酸盐,在经历温度大幅下降时,就会形成这样的颗粒。

描述这一发现的论文,本周在线发表在学术期刊《伊卡洛斯》(Icarus)上。(编辑:Steed)

德国海德堡大学的弗兰克·波斯伯格(Frank
Postberg)说,“我们有条不紊地给这些纳米硅酸盐颗粒寻找了其他解释,但每一个新结果都指向了一个最有可能的来源。”波斯伯格是卡西尼宇宙尘埃分析仪的设备科学家,也是这篇论文的合作者之一。

许翔闻和波斯伯格与日本东京大学的同事展开了密切合作,后者在实验室环境下通过实验验证了热液活动假说。

不仅如此,卡西尼的引力测量结果还显示,土卫二的岩石核心相当疏松多孔,允许地下海洋里的水渗入岩石的内部。这极大地增加了岩石和海水发生反应的表面积。

许翔闻说,“事实上,这种有趣的热水化学过程有可能大都发生在这颗卫星的核心深处,而并不只是海底。”

在上个月发表于《地球物理研究通讯》(Geophysical Research
Letters)的另一项研究中,卡西尼科学团队还发现有大量甲烷喷入了土卫二的大气。这些甲烷也可能是土卫二海洋底部水和岩石交界处发生热液过程的产物,或者也可能是富含甲烷的冰在渗入地表之前融化的结果。

“水、热量和矿物质,土卫二拥有在外太阳系维持适宜生命生存环境所需的一切成分,巩固了这颗卫星拥有外星生命的潜质。”欧洲空间局卡西尼项目科学家尼古拉斯·阿尔托贝利(Nicolas
Altobelli)补充说,“土卫二甚至可能代表了银河系中适宜生命生存的最常见环境:在远远超出恒星宜居带的地方,冰冻卫星环绕着气态巨行星旋转,但在它们的冰质地表以下,仍然能够维持液态水的存在。”(编辑:太阳娱乐登录,Steed)

参考文献

  1. Nature 519, 207–210 (12 March 2015)
    |doi:10.1038/nature14262

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