神秘的“冰雪衛(wèi)星”

張唯誠

土衛(wèi)二的地下熱源加熱了地下水，并把冰屑和其他物質(zhì)噴射出來

1789年，英國天文學(xué)家威廉·赫歇爾發(fā)現(xiàn)了土星的一顆衛(wèi)星，這顆衛(wèi)星被命名為“恩克拉多斯”，即土衛(wèi)二。恩克拉多斯是古希臘神話中的巨人，然而土衛(wèi)二卻并非如此。它的直徑只有500千米左右，約為月球直徑的七分之一、土衛(wèi)六（土星最大的衛(wèi)星）直徑的十分之一。在只靠望遠鏡觀測星空的時代，這顆小星球幸運地被發(fā)現(xiàn)，但有關(guān)它的更多情況，人們就很難再依靠望遠鏡去獲知了。

1980年和1981年，“旅行者1號”和“旅行者2號”探測器先后飛掠土星，在它們臨近土星的時候經(jīng)過了土衛(wèi)二，并拍下了土衛(wèi)二的照片。這兩艘探測器不但確定了土衛(wèi)二的大小，而且發(fā)現(xiàn)土衛(wèi)二是一個名副其實的“雪球”——其表面覆蓋著冰雪，極為荒涼，偶見溝槽和凹坑。但土衛(wèi)二并不是一個純粹的“雪球”，它的內(nèi)部應(yīng)該有一個硅酸鹽核心。由于冰雪的覆蓋，土衛(wèi)二顯得非常明亮，是太陽系中最明亮的衛(wèi)星。

土衛(wèi)二上覆蓋著冰雪雖已被人們知曉，但諸如“雪層有多厚，是堅硬還是蓬松”這樣的問題，直到最近，人們才有了一點眉目。2023年3月，科學(xué)家們宣布，他們通過利用“卡西尼號”土星探測器獲得的數(shù)據(jù)，對土衛(wèi)二表面的積雪進行了研究。原來，土衛(wèi)二的冰層上有一些裂縫和隕石坑，類似的地貌也存在于地球上的一些地方，例如冰島?？茖W(xué)家們認(rèn)為，在陽光照射表面的情況下，依據(jù)陽光投下的陰影，運用幾何學(xué)原理，再對比地球上類似的地形，他們可以估算出土衛(wèi)二凹坑和裂縫的深度，從而間接地推算出土衛(wèi)二上積雪的情況。憑借著這樣的方法，科學(xué)家們仔細研究了土衛(wèi)二的表面。他們推測，土衛(wèi)二上的積雪應(yīng)該很深，多為數(shù)百米，最深處可達700米。

那么，土衛(wèi)二上的積雪是怎么來的？在“卡西尼號”土星探測器飛臨這顆星球后，科學(xué)家們才知道了答案。2005年3月和7月，“卡西尼號”對土衛(wèi)二進行了2次飛掠，每次都盡量靠近土衛(wèi)二，兩者相距最近時只有168千米。這樣一來，“卡西尼號”得以用它的照相機拍下非常清晰的土衛(wèi)二地表照片。通過這些照片，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)土衛(wèi)二的南極地區(qū)有一片虎紋狀的地形，長128千米，寬40千米?；⒓y狀地形的裂縫中正在不斷地噴射著間歇泉，那是一些水蒸氣和冰屑似的物質(zhì)，一直被噴射到430千米以上的高空。這就是說，土衛(wèi)二的內(nèi)部不斷有物質(zhì)逸出，正是這些物質(zhì)為土衛(wèi)二構(gòu)建了一個大氣層。當(dāng)水蒸氣和冰屑似的物質(zhì)落下后，土衛(wèi)二被裝扮成了一個覆蓋著冰雪的明亮天體，成為太陽系中名副其實的“明星”。

土衛(wèi)二覆蓋著冰雪的表面

土衛(wèi)二不但體積小，而且還非常冷，表面溫度為零下200℃。這樣冷的星球怎么會出現(xiàn)含有水蒸氣的間歇泉呢？人們不禁聯(lián)想到液態(tài)水。他們猜想，是液態(tài)水被地下的熱源加熱后噴發(fā)了出來。

2008年3月，“卡西尼號”從距離土衛(wèi)二表面50千米的高空以5.15萬千米/時的速度飛掠了間歇泉。這次飛行讓科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)間歇泉的噴射物中水汽密度很大，還夾雜著大量冰粒。除此之外，還有一些有機物，如甲烷和丙烷等?！翱ㄎ髂崽枴边€探測到間歇泉噴出物噴射的速度非常快，可以達到2100千米/時。假若沒有地下的液態(tài)水，噴出物很難達到這樣的速度。

對于地下的熱源，科學(xué)家們認(rèn)為很有可能是因潮汐力而形成。所謂潮汐力是一種使天體拉伸和變形的力量，是引力源對一個物體產(chǎn)生引力作用時，作用于該物體各個點上不同的引力。研究人員認(rèn)為，土衛(wèi)二在環(huán)繞土星運行時，很容易周期性地受到周邊天體對其產(chǎn)生的潮汐力的影響，從而使土衛(wèi)二在環(huán)繞土星運行時周期性地發(fā)生一定程度的拉伸和變形。導(dǎo)致土衛(wèi)二表面的冰層發(fā)生移動和擠壓，從而形成了虎紋狀的地形。冰層在移動和擠壓的過程中，摩擦碰撞產(chǎn)生了熱量，形成了星球內(nèi)部的熱源。在熱量的作用下，冰層在融化成液態(tài)水的同時也被加熱成水蒸氣，并通過裂縫被釋放出來。與此同時，蒸汽的壓力將地下的冰粒推出，從而形成了間歇泉似的冰噴泉現(xiàn)象。

對于間歇泉中的物質(zhì)研究結(jié)果也令科學(xué)家們興奮。例如“卡西尼號”在間歇泉中探測到了鈉鹽的痕跡，這意味著土衛(wèi)二的地下水體可能含有鹽，類似于地球上的海水?！翱ㄎ髂崽枴鄙系膲m埃探測器還收集了很多由土衛(wèi)二間歇泉噴出的隱藏在冰晶中的塵埃顆粒。在研究了大量塵埃后，科學(xué)家們初步認(rèn)定，這種類型的塵埃顆粒只能在溫度非常高的環(huán)境中形成，比如地球海底深處的熱液噴口附近。這表明，土衛(wèi)二的地下海洋可能和地球上的情形一樣，也擁有熱液噴口。種種跡象表明，土衛(wèi)二的地下海洋存在生命的可能性是很大的。

最初人們猜想，如果土衛(wèi)二的地下海洋中存在生命，也可能只是一些微生物。但假如土衛(wèi)二的海洋里存在熱液噴口，那么像蠕蟲和貝殼類動物等多細胞的生物體也可能存在。

對于土衛(wèi)二，科學(xué)家們有著很強的探索欲望。人們會在未來繼續(xù)發(fā)射探測器，對土衛(wèi)二進行下一階段的研究，尋找土衛(wèi)二液態(tài)水體中的生命也將成為土衛(wèi)二探索的重要內(nèi)容。

運行于E 環(huán)中的土衛(wèi)二

至于土衛(wèi)二上的積雪，也存在著許多有待考證的問題?？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)，如果間歇泉始終以今天這般規(guī)模從虎紋狀地形的裂縫里噴出物質(zhì)的話，要積累到如今這般厚度的雪需要45億年的時間。但45億年是整個太陽系的年齡，所以科學(xué)家們推測，歷史上土衛(wèi)二間歇泉的噴射過程一定非常激烈，噴射的規(guī)模也一定比如今大很多，在多年的噴射周期中，規(guī)模逐漸減小，最終縮小到如今這般模樣。但這僅僅是科學(xué)家們的猜想。

土衛(wèi)二是太陽系中一個典型的冰凍天體。在太陽系之外，這樣的冰凍天體還有不少。在未來，人類一定會派著陸器登陸這樣的天體。人們知道，雖然冰凍天體的表面被厚厚的冰層或積雪所覆蓋，但具體的情況，例如冰層或積雪的厚度、平整度、堅硬度之類的屬性卻并不明晰，而對這類信息的掌握直接關(guān)系到未來的著陸器是否能夠在這種天體上成功著陸。所以，研究土衛(wèi)二表面的積雪不僅對我們認(rèn)識類似的冰衛(wèi)星意義重大，而且對未來執(zhí)行針對冰衛(wèi)星的太空任務(wù)也很有意義。

值得注意的是，土衛(wèi)二雖然小，卻對土星系形成了一定的影響。“卡西尼號”發(fā)現(xiàn)，這顆不大的星球會噴射流量達到200千克/秒的物質(zhì)。這些冰晶物質(zhì)并非只落到了土衛(wèi)二上，有些也落到了鄰近的土衛(wèi)一、土衛(wèi)三、土衛(wèi)四和土衛(wèi)五上，還有一些散布在軌道上，形成了土星環(huán)的一部分——E環(huán)。