土衛(wèi)二海洋或富含磷元素，地外生命探索迎來(lái)新飛躍？

文/蘭順正

▲ 卡西尼號(hào)探測(cè)器拍攝的土衛(wèi)二

2023 年6 月，英國(guó)《自然》雜志發(fā)布的報(bào)告顯示，有科研團(tuán)隊(duì)研究分析了卡西尼號(hào)探測(cè)器收集的土星衛(wèi)星土衛(wèi)二附近E 環(huán)中粒子的化學(xué)成分，發(fā)現(xiàn)E 環(huán)中的冰粒富含磷酸鈉，由于這些冰粒很可能是從土衛(wèi)二內(nèi)部海洋噴射到太空中的，所以這預(yù)示了土衛(wèi)二內(nèi)部海洋可能存在高濃度的磷元素，這是否意味著人類(lèi)在太陽(yáng)系中尋找地外生命的工作迎來(lái)了“巨大的飛躍”？

內(nèi)藏液態(tài)海洋的“冰球”

從古至今，外星生命的話題從來(lái)沒(méi)有停止過(guò)，而土衛(wèi)二則是近年來(lái)科學(xué)界的關(guān)注對(duì)象之一。土衛(wèi)二是土星的第六大衛(wèi)星，也是太陽(yáng)系中最亮的衛(wèi)星，在1787 年被威廉·赫歇爾利用自己制作的1.2 米望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)。土衛(wèi)二運(yùn)行在土星E 環(huán)最稠密的部分，平均直徑為505 千米，只有月球直徑的七分之一，在平均距離土星23.8萬(wàn)千米的橢圓形軌道上運(yùn)行，軌道面位于土星的公轉(zhuǎn)軌道平面內(nèi)，繞行周期為1.37 天。由于固態(tài)冰在土衛(wèi)二上大面積存在，使其成為了太陽(yáng)系反射率最大的天體，幾乎能反射百分之百的陽(yáng)光，因此它也是一顆寒冷的星球，其地表的夜間溫度僅為-198℃，較其他土星衛(wèi)星更冷。同時(shí)，一般情況下這樣大小的衛(wèi)星通常無(wú)法在內(nèi)部存儲(chǔ)或產(chǎn)生足夠的熱量，所以土衛(wèi)二之前被認(rèn)為應(yīng)該是一個(gè)完全被凍結(jié)的固體，但是后來(lái)的觀測(cè)與研究表明事實(shí)并非如此。

1981 年8 月，旅行者2 號(hào)探測(cè)器在人類(lèi)歷史上首次近距離觀測(cè)了土衛(wèi)二，而目前人類(lèi)對(duì)于土衛(wèi)二的了解則主要來(lái)自于卡西尼-惠更斯號(hào)土星探測(cè)器。該探測(cè)器是美國(guó)宇航局、歐空局和意大利宇航局的一個(gè)合作項(xiàng)目，于1997 年10 月15 日發(fā)射升空，2004 年7 月抵達(dá)土星軌道，同年12月25 日“卡西尼號(hào)”和“惠更斯號(hào)”分離。次年1 月14 日，“惠更斯號(hào)”成功著陸土衛(wèi)六并傳回?cái)?shù)據(jù)；而“卡西尼號(hào)”則在軌運(yùn)行了13 年，傳回了大量數(shù)據(jù)。

2010 年2 月英國(guó)《每日電訊報(bào)》報(bào)道，“卡西尼號(hào)”在飛越土衛(wèi)二時(shí)探測(cè)到了帶負(fù)電的水分子，這是后者地下有水的明顯跡象?；瘜W(xué)研究揭示，水分子是由兩個(gè)氫原子和一個(gè)氧原子結(jié)合而成的，共有10 個(gè)帶正電的質(zhì)子、10 個(gè)帶負(fù)電的電子、10 個(gè)不帶電的中子。在正常情況下，水分子中正負(fù)電量相等。當(dāng)水分子遭遇摩擦、受熱和化學(xué)變化等原因而失去一部分電子時(shí)，就帶正電，稱(chēng)為正離子或陽(yáng)離子；獲得額外電子時(shí)，就帶負(fù)電，稱(chēng)為負(fù)離子或陰離子。水分子失去或獲得電子后所形成的帶電粒子統(tǒng)稱(chēng)為離子。在地球上，這種短期存在的離子處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的液態(tài)水中，例如瀑布或者發(fā)生撞擊的海浪中。而“卡西尼號(hào)”既然在土衛(wèi)二周?chē)蹲降搅怂肿拥呢?fù)離子，那就證明該天體上存有液態(tài)水。

▲“卡西尼號(hào)”于2015 年拍攝的土衛(wèi)二表面照片

▲ 卡西尼-惠更斯號(hào)土星探測(cè)器

▲“卡西尼”號(hào)拍攝的土衛(wèi)二南極的“虎斑”地形

之后，天文學(xué)家又利用“卡西尼號(hào)”2010—2012 年期間3 次近距離觀測(cè)土衛(wèi)二獲得的數(shù)據(jù)，分析確定了土衛(wèi)二的引力場(chǎng)。研究發(fā)現(xiàn)，土衛(wèi)二的引力場(chǎng)存在“引人注目的不對(duì)稱(chēng)性”，其中南極的引力較弱，但又大于根據(jù)其地形計(jì)算得出的數(shù)值。他們認(rèn)為，“起到彌補(bǔ)性作用”的是南極表面下的液態(tài)水，因?yàn)樗拿芏却笥诒?，形成的引力也大于冰。進(jìn)一步的分析認(rèn)為，該“地下?！蔽挥谕列l(wèi)二南極30～40 千米厚的表面冰層之下，其深度約為10 千米，并延伸至南緯50 度左右。

有觀點(diǎn)認(rèn)為，土衛(wèi)二存在地下液態(tài)水海洋的主要原因是潮汐加熱。當(dāng)土衛(wèi)二繞土星運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于繞行軌道具有偏心率，土星的引力會(huì)周期性地將土衛(wèi)二“搓扁捏圓”，導(dǎo)致其內(nèi)部受到“擠壓拉扯”而產(chǎn)生大量且持續(xù)的熱能。此外，由于土衛(wèi)二形狀不規(guī)則，土星引力會(huì)對(duì)其產(chǎn)生一個(gè)凈力矩而迫使土衛(wèi)二發(fā)生擺動(dòng)，這也會(huì)在土衛(wèi)二內(nèi)部產(chǎn)生大量熱，這股熱量主要集中在南極地區(qū)?？茖W(xué)家通過(guò)模型模擬這種引力攝動(dòng)，發(fā)現(xiàn)這種擺動(dòng)對(duì)應(yīng)的表面最大應(yīng)力范圍正好與南極區(qū)域一致。

2017 年11 月，法國(guó)南特大學(xué)的行星科學(xué)家蓋爾·喬布雷特團(tuán)隊(duì)作出一種假設(shè)——土衛(wèi)二的巖石核心是具有高孔隙率的，且是松軟的，類(lèi)似海綿狀的核心。它在土星潮汐引力的作用下，會(huì)產(chǎn)生持續(xù)且穩(wěn)定的摩擦熱（潮汐加熱是一個(gè)比較穩(wěn)定的加熱過(guò)程，如果巖石核心的巖漿粘稠，則潮汐引力產(chǎn)生更多的摩擦熱，如果溫度升高，巖石核心的巖漿容易流動(dòng)，潮汐引力產(chǎn)生摩擦熱則減少）。而之后噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的丹尼斯·馬特森博士等人引進(jìn)了一個(gè)新的模型，該模型認(rèn)為除了潮汐加熱外，土衛(wèi)二的熱量還來(lái)自于放射性衰變放熱。通常認(rèn)為放射性衰變會(huì)在太陽(yáng)系形成后不久就損失掉大部分熱量，但土衛(wèi)二由于某種原因保留了這些熱量。該模型還預(yù)言了土衛(wèi)二目前仍處于一個(gè)冷卻階段，可能會(huì)持續(xù)10 億年左右。

生命要素齊聚帶來(lái)新希望

鑒于土衛(wèi)二的特殊環(huán)境，一直就有科學(xué)家假設(shè)其上存在著生命，但“七巧板”卻始終少了一塊。在此前的研究中，科學(xué)家已經(jīng)在土衛(wèi)二海水中發(fā)現(xiàn)了豐富的碳、氫、氧、氮和少量的硫，以及多種多樣的有機(jī)物質(zhì)，但對(duì)于生命六大基本構(gòu)成元素之一的磷仍然沒(méi)有相關(guān)報(bào)道。據(jù)悉，磷組成了所有生命的“能量貨幣”，是創(chuàng)造DNA和RNA、生物膜、人和動(dòng)物的骨骼與牙齒必不可少的材料，磷的匱乏被認(rèn)為是限制生命起源和現(xiàn)代生物規(guī)模的關(guān)鍵。

▲ 土衛(wèi)二南極冰層下存在“地下?！笔疽鈭D

在2022 年10 月，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院研究員郝記華與美國(guó)西南研究院研究員克里斯托弗·格萊因等學(xué)者合作，構(gòu)建理論模型模擬土衛(wèi)二海水化學(xué)，首次揭示了在土衛(wèi)二海水中可能含有豐富的磷元素，供給可能存在的地外生命，該相關(guān)研究成果發(fā)表于美國(guó)《國(guó)家科學(xué)院院刊》。而此次《自然》雜志發(fā)表的研究結(jié)果進(jìn)一步鞏固了這一論斷。由于內(nèi)部的火山活動(dòng)，土衛(wèi)二南極地帶不時(shí)會(huì)噴發(fā)出氣流，約500 千米高，氣流的主要成分包括細(xì)碎的冰屑、塵粒以及水蒸汽等，其中冰屑等物質(zhì)還是土星E 環(huán)主要成份來(lái)源之一。因?yàn)樵贓 環(huán)中的冰粒中發(fā)現(xiàn)了磷酸鈉，相關(guān)科研團(tuán)隊(duì)估計(jì)土衛(wèi)二地下海洋可能富含磷元素，濃度約為每千克1～20毫摩爾，至少是地球海洋磷濃度的100 倍。而隨著生命六大基本構(gòu)成元素的齊聚，無(wú)疑會(huì)將土衛(wèi)二生命探索再次推向一個(gè)新高度，對(duì)于人類(lèi)未來(lái)的太空移民也具有重大的意義。

不過(guò)應(yīng)當(dāng)看到的是，土衛(wèi)二地下海洋富含磷元素這一消息或許是把“雙刃劍”。因?yàn)樨S富的磷是有利于孕育生命，但考慮到在地球的海洋中，正是由于大量的生物存在使得海洋中的磷被消耗到一個(gè)很低的濃度，所以土衛(wèi)二液態(tài)水海洋中的磷含量如此之高反而可能在暗示土衛(wèi)二上根本就沒(méi)有生命或生命只能以非常緩慢的速度代謝。同時(shí)，此次探測(cè)到的磷酸鹽來(lái)自土星的E 環(huán)，并非直接來(lái)自于土衛(wèi)二海洋的羽流噴射或者土衛(wèi)二地表，因此本著科學(xué)的態(tài)度，人類(lèi)對(duì)此仍需保持謹(jǐn)慎。

▲土衛(wèi)二結(jié)構(gòu)示意圖

▲ 土衛(wèi)二海洋的羽流噴射示意圖