木星和土星的衛星上似乎隱藏著地下海洋，使得這些衛星成了人們尋找地外生命的誘人目標。至於為什麽衛星上有海洋存在，至今仍是未解之謎。
對人類而言， 地球是唯一一顆已知的，由海洋覆蓋的星球 ，似乎與任何其他的宇宙島嶼都不同。
但1979年，美國國家航天局的兩艘旅行者號飛船飛掠木星。觀測到了木星的衛星——木衛二。這是一個冰封王國，星球表面 溝壑密布 ， 滿是裂縫 。這樣的地貌暗示其表層之下可能 隱藏著某種地質運動 。
加州大學聖塔克魯茲分校的行星科學家法蘭西斯·尼莫（Francis Nimmo）表示：「旅行者號飛掠木星後，人們開始懷疑這顆奇怪的衛星——木衛二上 可能存在海洋 。」
隨後，1996年，美國國家航天局的伽利略木星探測器飛掠木衛二時， 探測到 了來自其內部的 奇異磁場 。「當時，我們不明白那是什麽。」加州大學洛杉磯分校的空間物理學家瑪格麗特·基韋爾森（Margaret Kivelson）表示道，瑪格麗特女士負責飛船磁力計。最終，瑪格麗特及其科研團隊意識到，在木衛二內部， 可能存在導電流體 ，該流體在木星巨大的磁場的作用下發生了湧動。基韋爾森表示：「唯一合理的解釋就是： 冰層下有一層熔融態的殼層 。」
2004年，美國國家航天局的卡西尼號土星探測器抵達土星。一經觀測到土星的小衛星——土衛二，便發現了從衛星南極的巨大裂縫中噴發出的閃閃發光的羽狀冰體。卡西尼號土星探測器穿過這些噴口，勘測到了確鑿的證據，證明這的確是一片正在猛烈地 向太空噴射海水的鹹水海洋 。
現在，地球海洋不再獨一無二。地球上的海洋只是有些奇特罷了，地球海洋存在於陽光照得到的地表，而太陽系外層行星的海洋則 隱藏於冰層 下 ，處於黑暗中。看來， 地下液態海洋在太陽系中普遍存在 ，而非特例。除了木衛二和土衛二，也極有可能存在其他衛星，衛星上有被冰層覆蓋的海洋。未來十年，將有一系列探測器仔細探索這些衛星。
然而，上述現象引出了一個明顯的 悖論 ，那就是，這些衛星在太陽系寒冷的邊緣存在了數十億年之久；按理說， 衛星形成時殘余的熱量早已逸散到太空中 了。既如此，任何地下海洋現已應結成了固態冰。那麽，這些照不到太陽的冰凍衛星， 為何至今仍擁有液態海洋呢？
越來越多的證據表明， 可能有多種方法讓海洋在數十億年內維持液態 。這些方法一經破解，就將會有可能加速人類探索宇宙中生命起源的行程，並使我們了解該行程的難易程度。新近分析的來自早期航天器的數據、美國國家航天局的朱諾號(Juno)航天器和韋布空間望遠鏡的最新觀測結果，都在不斷加強現有的證據。即， 這些溫暖的海洋中含有對生物有益的化學物質 。這表明， 內太陽系 並不是唯一可能孕育生命的地方。
這些存在海洋的衛星還提供了更為宏大的可能性。那就是， 溫和、潛在宜居的海洋或許是行星形成的必然結果 。行星及其衛星與恒星核融合燃燒的火焰之間的距離可能並不重要。如果確實如此，那麽，我們在尋找地外生命的過程中，可能要探索無限的星球。
「冰層下的海洋似乎很奇怪，是不太可能存在的，」美國國家航天局噴射推進實驗室的天體生物學家兼地球物理學家史蒂文·萬斯（Steven Vance）說道，「然而，這些外星海洋仍然頑強地保持液態。」
一片裹在鏡面裏的海洋
科學家們懷疑， 木星和土星的幾顆衛星 ，乃至 天王星 和 海王星 的幾顆衛星，都可能擁有海洋。探測器在體積龐大的 木衛三 和隕石坑遍布的 木衛四 上，感應到了 類似木衛二的弱磁訊號 。同樣，被霧籠罩的 土衛六 上也極有可能存在一片液態的地下海洋。普渡大學行星科學家麥克·索裏（Mike Sori）表示：「上述幾顆衛星是科學界大多數科學家都一致有信心，認為能發現液態海洋的五個天體。」
加州大學洛杉磯分校的空間物理學家瑪格麗特·基韋爾森及其同事們確定，木衛二表面下很可能隱藏著一片全球性海洋。
迄今為止， 唯一絕對確定存在海 洋的衛星 就是土衛二 。「這一事實毋庸置疑。」牛津大學行星科學家卡莉·豪威特（Carly Howett）如是說。
20世紀80年代，有的科學家懷疑土衛二會產生羽狀噴流。土星的E環異常幹凈明亮，說明一定有什麽 來自土星衛星的物質正不斷泄漏到太空中 。卡西尼號土星探測器終於見證了這種讓土星光環熠熠生輝的魔力是如何產生的。隨後，科學家們曾短暫地質疑過，土衛二南極的羽狀噴流是否可能是土衛二外殼的冰被陽光汽化所致，就像是幹冰受熱蒸發一樣。
「有段時間，人們爭論海洋是否真的存在，」尼莫（Nimmo）說道。「卡西尼號土星探測器穿過噴流時， 探測到了鹽，即氯化鈉 。由此，真正確定了海洋的存在。」 還有其他可能，比如這些噴流是從一個更小的、孤立的海洋中噴發出來的。但卡西尼號土星探測器進一步的觀察揭示，土衛二冰殼的搖擺振幅是如此之大，以至於冰殼和星球內部之間必須由一片覆蓋全球的海洋隔開，才說得通。
「這些噴流 還排出氫和石英 ，這是深海熱液噴口活動的跡象。」柏林自由大學行星科學家法蘭克·波斯特伯格（Frank Postberg）如是說。在地球上，諸如此類的噴口 釋放熱量和化學物質 ， 以維持生態系正常運作 。該生態系位於陽光照射不到的深海中。科學家們一度認為，在這個依賴光合作用而生的的世界裏，這些生物群落是不可能存在的。
但是，究竟是什麽在為這個足以加熱整個海洋的噴口系統供能呢？——另一顆熾熱無比衛星將會提供一些線索。
永恒的、地獄般的潮汐
1979年6月，就在旅行者2號飛掠木衛二的一個月前，科學家們宣布：旅行者1號已經瞥見 木衛一上空巨大的、傘形羽狀噴流 ——這是幾座火山噴發的銘印。
這一觀察本應令人困惑，因為火山活動需要內部熱源。而木衛一，正如其他冰封衛星一樣，本應只留余燼。但就在幾個月前，一支獨立的科考隊正確預測到木衛一可能是一個極度活躍的 火山世界 。
這隊科學家是基於木星最大的衛星——木衛一的軌域運動而進行的預測。 木衛一每走完四個軌域，木衛二就會走完兩個軌域，木衛三同時會走完一個軌域。 這種軌域配置被稱為 共振狀態 。該執行方式導致木衛一前後搖擺，使其執行軌域呈橢圓形。 木衛一離木星更近時，受到木星的重力更強；離木星更遠時，受到的重力就會變弱 。這種永不停息的重力拉扯會使木衛一表面的巖石像地球上的潮汐一樣上下移動，上下移動的振幅約100公尺，相當於30層樓高。該潮汐現象和地球上的潮汐現象原理一致，只不過，木衛一上翻湧的是固態的巖石，而不是水。
巖石潮汐在衛星內部的摩擦產生了熱量，足以加熱融化木衛一內部深處的巖石。 「木衛一沒有水相海洋，但可能有一個巖漿海洋。」尼莫說道。（伽利略木星探測器還探測到了木衛一的次級磁場，該磁場是由遍布木衛一的地下熔巖儲層產生的。）
木衛二也經歷了潮汐加熱現象。但是，這些潮汐具體能給海洋提供多少熱量，取決於潮汐在衛星內部發生的位置。也就是說， 需要有足夠的熱量傳導到海洋中，才能使海洋保持液態。 「潮汐加熱現象可能發生在冰殼本身的位置，也可能發生在冰殼下方的巖石核心的位置。」尼莫說道。科學家們不知道哪個才是潮汐發生的位置，所以也無從確定潮汐加熱現象對維持木衛二內部呈液態的作用具體有多大。
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土衛二 也與相鄰的 土衛四 跳起了「重力探戈」，它們之間的重力相互拉扯，使其不斷拉伸和擠壓。理論上，這可能會產生使衛星內部變暖的潮汐。但是，至少在理論層面來說， 土衛四共振產生的潮汐，還不足以解釋海洋的存在 。索裏（Sori）認為，現有的數位還無法解釋該現象。而且，產生的熱量也不足以維持一片全球性海洋長達數十億年之久。也許，土衛二的海洋保持液態的原理就像木衛二一樣。只可惜，科學家們還不太清楚土衛二內部的潮汐究竟是在星球上的哪個位置釋放熱量的。
還有一個令人困惑的因素就是，軌域在天文時間尺度上並非固定不變。隨著行星系統的演化，衛星也會遷移。「當 星體在不同共振中漂移的時候，潮汐加熱現象可以隨之開啟或停止 。」英國開放大學的行星科學家大衛·羅瑟裏（David Rothery）如是說。科學家懷疑，這種情況也發生在 天王星的兩顆衛星天衛五和天衛一上 ，這兩顆衛星曾經可能是共振的伴星。這些衛星看起來曾經有活躍的地質運動，但現在，其核心可能早已凍結了。
同樣，土衛二或許並非自始至終與土衛四互為伴星：也許兩者圍繞土星運動的時間並不長，只是近期才開始運動，使之前固態的衛星變暖。但這種情況同樣難以解釋。索裏認為：「維持海洋的存在，比凍結再融化一片海洋容易多了。」因此，如果潮汐加熱現象是土衛二海洋存在的唯一原因，那麽這顆衛星就已是一位舞了數十億年的「資深舞者」了。
目前，我們僅能確定這顆衛星上存在海洋。至於海洋是如何形成的？又如何存在至今？索裏表示：「土衛二令人捉摸不透，這是重大未解之謎之一。」
放射性的叛逆者
幸運的是，衛星內部的溫暖 並不完全依賴於潮汐 。
地球內部的熱量，一半來自其誕生之時。另一部份熱量則來自 放射性元素的衰變 。同樣，冰衛星的深處巖石密布，所以也應該含有大量的鈾、釷和鉀。以上放射性物質在衰變成穩定元素，停止釋放熱量之前，能夠為周圍環境提供數億年、甚至數十億年的熱源。
體積更大的衛星在形成之初就 擁有更為豐富的放射性物質儲量 。也許，這就是衛星上的海洋所需的能量。「對於像 木衛三、木衛四和土衛六 這樣的 大衛星 來說，由於這種放射性物質的因素，海洋幾乎是必然存在的。」萬斯說道。一些科學家甚至認為 冥王星 上也存在一片地下海洋。正如這三顆衛星一樣，冥王星這顆矮行星可能被一個足夠厚的地殼所隔離，從而減緩了這個「放射性的大熔爐」向太空釋放能量的速率。
然而，像 土衛二 這樣 體積相對來說較小的衛星 ，其核心所含的放射性物質不足以維持數十億年之久的溫暖。針對這個難題，有個不盡人意的答案是：也許土衛二純屬幸運： 放射性物質 可以解釋其海洋早期的部份歷史，而土衛二與土衛四的 共振 則是更為近期的事件。也許「我們現在正處於一個轉折點，放射能加熱的比重變得如此之低，以至於潮汐加熱效應接過了加熱海洋的接力棒。」波斯特伯格（Postberg）如是說。
若是當真如此，那麽土衛二可能就是宇宙的一個縮影： 該衛星將潮汐加熱和放射能加熱偶然地結合在一起 。這意味著，有海洋覆蓋的衛星可能無處不在。反之，若非如此，則幾乎無處可尋。
年輕的海洋
一些科學家提出了另一種頗具爭議的看法—— 土衛二可能非常年輕 。
卡西尼號土星探測器收集的大量數據中隱藏著這樣的線索： 土星並非天生就擁有其標誌性的光環。 相反，許多科學家現在相信，這些光環是在幾億年前才形成的。最新研究利用超級電腦模擬了衛星之間的碰撞， 發現土星的光環是兩顆古老的衛星相撞時形成的 。那時，地球正處於劍龍生活的時代。這場碰撞在土星的軌域上散落了無數冰塊碎片；盡管其中許多碎片組成了土星的光環，而其他碎片則擊碎了現有的衛星並創造了新的衛星。 如果光環年輕，那麽土衛二及其他幾顆衛星則可能也很年輕。
「人們似乎越來越願意接受衛星很年輕這個觀點了。」加州山景城美國國家航天局艾姆斯研究中心的研究員雅各布·凱葛瑞絲（Jacob Kegerreis）如是說。雅各布也是「近期成環研究」的共同作者之一。
有趣的是，事實表明，科學家們甚至不知道土星的一些衛星到底有多老。「土衛二可能只有幾億年或幾千萬年的歷史，」羅瑟裏（Rothery）說道。如果確實如此，那麽 土衛二熾烈誕生時產生的熱量可能仍正使這片年輕的海洋保持液態 。
但關於衛星年輕化的說法遠未得到證實。許多衛星上有大量隕石坑，這表明，這些衛星經歷過太陽系中各個星體像彈珠一樣混亂撞擊的時代，已然存在了許多紀元。「我的確認為，幾億年前，土星系統中發生了一些奇怪的現象，」尼莫說道，「但我猜，所有衛星的年齡都是45億年。」
衛星預言家們
伽利略木星探測器和卡西尼號土星探測器早已達成使命。科學家們現在寄希望於 兩個新的航天探測器 上：一個是歐洲空間局最近發射的的冰質 木衛探測器 （JUICE）；另一個是美國國家航天局將要發射的 木衛二快艇 （Europa Clipper）。這兩個探測器將在下一個十年之初抵達木星。
這把我們再次帶回木衛二的話題，正是這顆衛星最先迫使人們重新想象地球海洋的宇宙背景。
據任務目標清單，木衛二快艇的目標之一是「證實」 木衛二海洋的存在 。尼莫表示：「關於‘證實’這個詞，爭議頗多。」 木衛二快艇可能會發現除了海洋以外的其他物質 ，比如，可能會發現一個遍布著融水坑的冰封海洋。尼莫開玩笑說：「木衛二快艇還可能會發現一層薄薄的金子。不過，我有99%的把握證明木衛二上有一片海洋。」
假設木衛二快艇證實了海洋的存在， 快艇便將開始研究該衛星及其地下海洋的特性 。為此，木衛二快艇首先會搞清楚 木衛二表面 存在哪些分子。幸運的話，還可以弄清 海洋裏的 分子構成 。當快艇飛掠衛星時，將吸收衛星表面飄過的的任何微塵、冰晶或水蒸氣。快艇配備的表面塵埃分析儀將會研究這些微粒。當微粒撞擊其金屬板時，微粒會汽化並帶有電荷，從而方便分析儀揭示這些微粒的化學性質。
人們希望木衛二的海洋會溫和地向太空中釋放 噴流 ，因為這將使木衛二快艇的探測任務變得容易得多。木衛二上可能存在這樣的羽狀噴流，但不同於土衛二，這些噴流可能是間歇性、地域性的，或者壓根就沒有噴流。如果是這樣的話，人們希望微小的隕石撞擊能夠剝離冰殼，釋放出少許海洋成分，並噴射到木衛二快艇上以供檢測。
結果可能是，木衛二和其他衛星在保持溫暖方面依賴的化學反應並不像我們預期的那樣陌生。索裏說道：「在冬天，我們會撒鹽來降低雪的融點。」 也許 ，木衛二的 海洋鹽度 極高，降低了冰點。「不過， 還有其他化合物能夠更有效地防止凍結——特別是氨 。」索裏說道。氨在遠離太陽光芒，不易被蒸發的地方儲量更為豐富。
潮汐、放射線能、化學和年輕：當以上要素正確地組合在一起時，可以在這些冰冷的衛星上產生並維持液態海洋。豪厄特（Howett）認為：「上述因素不應是非此即彼的。」每個衛星所具體具備的因素也許是不同的，也就是說，形成一顆充滿海洋的冰凍衛星， 或許有數百種方式 。
基韋爾森表示：「木衛二秘密海洋的發現誠然改變了人們對衛星的看法。」促使科學界踏上了一條確定外星生命是否可能存在於外星海洋中的探索之路。並且，可能帶來一項新的發現，永遠改變我們對於人類在宇宙中的定位的看法。
作者：Robin George Andrews
轉譯： 邊穎
審 校：*0
原文連結：These Moons Are Dark and Frozen. So How Can They Have Oceans?
本文轉載自公眾微訊號：中科院物理所
風上風雲｜雲端故事
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