木衛(wèi)二，從水到生命還有多遠(yuǎn)

宋麗麗

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在這幅由“伽利略”號(hào)宇宙飛船拍攝的木衛(wèi)二拼接影像里，可見到數(shù)片明亮的水冰、平原、伸展至遠(yuǎn)方地平線的裂縫以及可能混雜著冰和塵土的暗斑。在日夜交界線附近的高突結(jié)構(gòu)，因?yàn)橥渡涑霭涤岸兊悯r明易辨。為驗(yàn)證這個(gè)海洋可能孕育有生命的傳說，歐空局已著手進(jìn)行木星冰質(zhì)衛(wèi)星探測(cè)器的先期規(guī)劃工作，預(yù)計(jì)在2022年發(fā)射探測(cè)船進(jìn)一步探測(cè)木星，并以木衛(wèi)二為探索的重點(diǎn)。

有水的地方就可能有生命存在，如果我們想知道人類在宇宙中是否孤獨(dú)，就要去探索宇宙中是否有其他星球像地球一樣有海洋、河流存在。2013年12月，一道羽狀噴泉在木衛(wèi)二的冰殼表面噴出，美國(guó)的哈勃望遠(yuǎn)鏡正好觀測(cè)到了。這一發(fā)現(xiàn)立刻引起了科學(xué)家的極大興趣，也讓木衛(wèi)二再次成為探索地外生命的熱門星球。

歐羅巴的水

水可以完美地維持生命，大多數(shù)科學(xué)家認(rèn)為，地球上最早的生命是在水中孕育產(chǎn)生的。當(dāng)然，也可能有其他承載生命的形式存在，比如硅基，但生物學(xué)家大多認(rèn)為，地外生命可能會(huì)以水和碳為基礎(chǔ)形成。很多星球有水存在，但是擁有大量液態(tài)水的星球卻不多。木衛(wèi)二又名歐羅巴，是木星67顆衛(wèi)星中的一個(gè)，體積同月球差不多，曾經(jīng)被認(rèn)為同月亮一樣，是個(gè)荒涼的星球。20世紀(jì)70年代，美國(guó)航空航天局的一系列無人太空船逐步揭開了木衛(wèi)二的神秘面紗。木衛(wèi)二的表面由一層厚厚的冰殼覆蓋，隕石坑很少。像月球一樣，木衛(wèi)二也是被潮汐鎖定的星球，它的一面永遠(yuǎn)朝向木星。而潮汐力會(huì)使木衛(wèi)二內(nèi)部產(chǎn)生熱量，可能會(huì)使其內(nèi)部的水保持液態(tài)。通過對(duì)其地表形貌的分析，科學(xué)家推測(cè)，這個(gè)相對(duì)年輕的白色冰凍星球下可能有液態(tài)海洋存在。

1995年至2003年的“伽利略探測(cè)”計(jì)劃進(jìn)一步驗(yàn)證了木衛(wèi)二地下海洋的存在。首先，“伽利略”探測(cè)器觀測(cè)到木衛(wèi)二表面很多縱橫交錯(cuò)的冰層紋理，與漂浮在海洋上的斷裂冰層類似。除了對(duì)衛(wèi)星地貌更加詳細(xì)的觀測(cè)之外，科學(xué)家根據(jù)探測(cè)器上磁強(qiáng)計(jì)的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)木衛(wèi)二會(huì)產(chǎn)生一個(gè)弱的擾動(dòng)磁場(chǎng)。這個(gè)擾動(dòng)磁場(chǎng)是由變化的木星磁場(chǎng)引起的?；叵胍幌轮袑W(xué)物理中的楞次定律，我們知道，變化的磁場(chǎng)可以在導(dǎo)體里產(chǎn)生渦旋電流，而渦旋電流則會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反方向的磁場(chǎng)，這個(gè)反方向的感應(yīng)磁場(chǎng)正是“伽利略”號(hào)觀測(cè)到的擾動(dòng)。這說明木衛(wèi)二里面有一個(gè)導(dǎo)電材料構(gòu)成的殼層允許電流流動(dòng)，從而產(chǎn)生擾動(dòng)磁場(chǎng)。冰和巖石并不是電的良導(dǎo)體，而類似地球海洋的咸水則是不錯(cuò)的導(dǎo)體，所以木衛(wèi)二的冰層下很可能存在咸水海洋。

科學(xué)家雖然推測(cè)有地下海洋存在，但缺乏直接證據(jù)。2013年12月，借助哈勃望遠(yuǎn)鏡攝譜儀的紫外波段成像，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)木衛(wèi)二的南極地區(qū)存在間歇性噴發(fā)的羽狀噴泉，水蒸氣被噴出，高達(dá)200千米。科學(xué)家分析，這個(gè)“噴泉”主要是氫和氧，而氫和氧通常意味著“水”，所以這次觀測(cè)的結(jié)果可以被理解為稀薄的水蒸氣。這個(gè)大噴泉可被看作木衛(wèi)二冰殼下存在巨大液態(tài)海洋的最有力證據(jù)。據(jù)推測(cè)，由于木星的衛(wèi)星碎片擊中木衛(wèi)二的冰層，使其冰殼產(chǎn)生裂縫，在木衛(wèi)二潮汐力的作用下，這個(gè)裂縫被撞開，噴射出下面的水汽。

大量液態(tài)水的存在意味著生命的可能。木衛(wèi)二是繼土衛(wèi)二后太陽(yáng)系里第二個(gè)發(fā)現(xiàn)噴泉的星球。由于重力較大，噴出的水蒸氣沒有逃逸到外太空，而是落回木衛(wèi)二表面。這意味著我們有可能在木衛(wèi)二表面采集到樣本，以分析其地下海洋的成分，而不一定非要花費(fèi)大力氣鉆開厚厚的冰殼。這會(huì)為未來的木衛(wèi)二實(shí)地考察大大節(jié)省成本。

地表和地下海洋間的物質(zhì)交換

生命的發(fā)展需要能量和物質(zhì)的交換。人們估計(jì)木衛(wèi)二上的冰層有幾十甚至幾百千米厚，即使冰層下可能有液態(tài)海洋，厚厚的冰層會(huì)不會(huì)阻礙星球表面與冰下海洋的能量物質(zhì)交換？科學(xué)家對(duì)比“旅行者”號(hào)和“伽利略”號(hào)發(fā)回的木衛(wèi)二地貌照片，發(fā)現(xiàn)冰層表面的裂紋發(fā)生了很大變化。這表明雖然木衛(wèi)二表面冰層很厚，其活動(dòng)卻是極其活躍的，它們會(huì)相互摩擦碰撞。這可能是鄰近的木衛(wèi)一上的火山活動(dòng)，或是木衛(wèi)二上的潮汐力產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致冰層融化造成的。這種冰層的活躍運(yùn)動(dòng)同時(shí)也預(yù)示著能量和物質(zhì)可以在地表和地下海洋間交換。

2木衛(wèi)二噴泉示意圖

2013年3月，加利福尼亞州理工大學(xué)的天文學(xué)家麥克·布朗和美國(guó)航空航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家凱文，使用夏威夷毛納基山的凱克Ⅱ望遠(yuǎn)鏡對(duì)木衛(wèi)二進(jìn)行了光譜分析，發(fā)現(xiàn)木衛(wèi)二上存在硫酸鎂鹽。布朗認(rèn)為，鎂不應(yīng)該存在于木衛(wèi)二的表面環(huán)境，而可能來自海洋，這意味著其表面冰層與下方的咸水海洋存在物質(zhì)交換。布朗在背向木星的半球發(fā)現(xiàn)了硫酸鎂的光譜，可能由硫離子和氯化鎂組成，而這一半球也是獲得木衛(wèi)一物質(zhì)最多的區(qū)域。因?yàn)槌毕i定的緣故，木衛(wèi)二永遠(yuǎn)是同一面朝向木星，而另一面會(huì)受到木衛(wèi)一上硫黃雨的影響。因此，布朗推測(cè)，這些硫離子可能來自木衛(wèi)一，但氯離子和鎂離子只可能來自咸水海洋。木衛(wèi)二表面冰殼下方不斷有化學(xué)物質(zhì)滲透流出，說明這個(gè)咸水海洋不是一個(gè)孤立系統(tǒng)。同時(shí)，這也意味著能量可以進(jìn)入咸水海洋系統(tǒng)，這對(duì)產(chǎn)生生命意義非常重大。

得克薩斯州大學(xué)奧斯分校的研究人員分析“伽利略”探測(cè)器發(fā)回的圖片，發(fā)現(xiàn)木衛(wèi)二表面有一些大致呈圓形的、崎嶇不平的區(qū)域。他們將其稱為“混沌地形”，進(jìn)行了一系列理論模擬來解釋這種地形的成因，最后認(rèn)為，這些特別地形下面的冰層可能很薄，冰層下面可能有巨大的湖泊。較薄的冰層有利于地表和地下海洋間的物質(zhì)交換。2013年，科學(xué)家又借鑒地球上兩極的冰層地貌和洋流活動(dòng)，建立了木衛(wèi)二冰層下的洋流模型。用電腦模擬后，發(fā)現(xiàn)上升暖洋流的存在可能使木衛(wèi)二地表的冰層融化，而后又重新凍結(jié)，從而形成崎嶇的“混沌地形”。洋流可以把海底營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)傳送到冰殼附近。這些發(fā)現(xiàn)告訴我們，木衛(wèi)二的冰層和冰下海洋可能存在著頻繁的能量和物質(zhì)交換，這為生命的存在提供了有利條件。

有機(jī)物從何而來

除了水以外，有機(jī)物也是生命形成至關(guān)重要的因素。這些有機(jī)物通常可以在彗星或小行星上發(fā)現(xiàn)。2013年12月，美國(guó)航空航天局宣布，在木衛(wèi)二上首次發(fā)現(xiàn)了黏土物質(zhì)。他們根據(jù)1989年“伽利略”探測(cè)器拍攝的近紅外圖像，用新技術(shù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)了層狀硅酸鹽的層狀黏土類礦物。這些礦物很可能是彗星或者小行星撞擊木衛(wèi)二留下來的。這些礦物分布在一個(gè)直徑30千米的隕石坑中。研究人員推斷，一顆直徑1100米的小行星或一顆直徑1700米的彗星撞擊木衛(wèi)二后，在木衛(wèi)二表面形成一個(gè)直徑40千米的環(huán)形坑。這為之前科學(xué)家推測(cè)的可能有小行星或彗星撞擊木衛(wèi)二并為其帶來有機(jī)物，提供了直接的證據(jù)。黏土是生命起源過程中復(fù)雜生化分子誕生的溫床，這一發(fā)現(xiàn)揭開了在木衛(wèi)二上找尋生命的新篇章。

最初，科學(xué)家推測(cè)，木衛(wèi)二的地下海洋中可能存在微生物?，F(xiàn)在，液態(tài)水、黏土物質(zhì)、礦物質(zhì)和潮汐熱能等的發(fā)現(xiàn)帶給人們新的希望。科學(xué)家猜測(cè)，木衛(wèi)二上可能存在結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜的生命體，如魚類或其他食肉動(dòng)物。人類的無人探測(cè)器登陸木衛(wèi)二估計(jì)還要很多年，等不及的讀者可以先看看2013年的電影《木衛(wèi)二報(bào)告》來過把癮。這部吳彥祖主演的科幻電影，運(yùn)用紀(jì)錄片的手法描述了人類首次登陸木衛(wèi)二的驚險(xiǎn)故事。

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鏈接：有水的不光是木衛(wèi)二

木衛(wèi)三

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木衛(wèi)三又稱蓋尼米德，可能由木星次星云的吸積作用而產(chǎn)生。由于木衛(wèi)三是緊接木星之后形成的，這時(shí)的次星云還比較濃密，所以其吸積作用所耗時(shí)間較短。相對(duì)較短的形成時(shí)間使得吸積過程中產(chǎn)生的熱量逃逸較少，這些未逃逸的熱量導(dǎo)致了冰體的融化和木衛(wèi)三內(nèi)部結(jié)構(gòu)的分化：巖石和冰體相互分開，巖石沉入星體中心形成內(nèi)核?，F(xiàn)在，木衛(wèi)三的冷卻過程仍十分緩慢。從內(nèi)核和硅酸鹽地幔釋放出的熱量使木衛(wèi)三上的地下海洋得以存在，同時(shí)緩慢冷卻的、流動(dòng)的鐵——硫化亞鐵內(nèi)核仍在推動(dòng)星體內(nèi)的熱對(duì)流，并維持磁圈的存在。

木衛(wèi)四

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木衛(wèi)四又稱為卡里斯托，表面的反照率為20%。天文學(xué)家推測(cè)，其表面物質(zhì)構(gòu)成與整體物質(zhì)構(gòu)成大致相同?？茖W(xué)家利用近紅外分光儀在1.04微米、1.25微米、1.5微米、2.0微米和3.0微米波長(zhǎng)發(fā)現(xiàn)了強(qiáng)烈的水冰吸收帶。冰普遍存在于木衛(wèi)四表面，比重在25%至50%。天文學(xué)家對(duì)“伽利略”號(hào)和地基觀測(cè)站拍攝的高分辨率近紅外光譜及紫外線光譜照片進(jìn)行分析后，發(fā)現(xiàn)了多種物質(zhì)，例如含鎂與鐵的水合硅酸鹽、二氧化碳、二氧化硫，可能還包括氨和多種有機(jī)化合物。光譜分析的數(shù)據(jù)顯示，即使在很小的區(qū)域內(nèi)，該天體表面的物質(zhì)構(gòu)成也極其復(fù)雜。冰構(gòu)成的小面積明亮斑塊與巖石、冰混合物構(gòu)成的斑塊互相混雜，而廣大的黑暗區(qū)域則由非冰物質(zhì)構(gòu)成。