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    土卫二的羽流喷泉中或暗藏地外生命(含视频)

    2017年4月16日 来源: 互联网
    土卫二的羽流喷泉中或暗藏地外生命(含视频)

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    土卫二的羽流喷泉中或暗藏地外生命

    土卫二的羽流喷泉中或暗藏地外生命(含视频)

    土卫二的倩影

    直径313英里(504千米)的土卫二只是土星的第六大卫星,但是从2005年来,这颗卫星在天体生物学家的心目中分量很大。在过去的十年中,行星科学家们越来越相信,在冰冷的土卫二表面之下,热液喷泉活动正在激烈地发生。在这种情况下,土卫二的盐水渗入海底的裂缝,又在岩石的作用下逐渐加热,再度喷涌而出。

    在2005年,卡西尼号发现了土卫二上存在海洋的第一个证据——在土卫二的南极地区的四条裂缝中,几百千米高的水雾喷涌而出。进一步的研究表明,喷涌出的水汽,或者说羽流中含有氢气。科学家们猜测这可能是生命存在的迹象,因为多年前,美国科学家在爱达荷州南部一地下200米的温泉里,曾经发现一群以氢元素为生的嗜热微生物。在地球的温泉系统中,水与含有还原铁的矿物岩石发生化学反应产生氢分子。而这些微生物即使没有阳光和有机碳元素,也能在有氢气和二氧化碳混合的环境里生长。因此,这一发现使得土卫二成为了太阳系中最可能存在生命的天体。美国西南研究院的行星科学家亨特·韦特曾风趣地说:“我们没抓到微生物,但是我们看到了他们的食物。”

    土卫二有液态水,这是我们所知的生物存在的关键之一(因为土星的巨大引力在扭曲并拉伸着这颗卫星,产生了潮汐热,所以这片海洋仍保留着液态)。新的研究发现该卫星拥有形成生命的另一个关键因素:能量源。

    土卫二的羽流喷泉中或暗藏地外生命(含视频)

    土卫二上的羽流

    土卫二热液喷泉最关键的证据是则是卡西尼号上的宇宙尘埃分析器意外获得的硅酸盐存在的信号。由亨特·韦特领导的研究小组,在圣安东尼奥的西南研究所,分析了卡西尼号在2015年十月期间对土卫二的间歇泉羽流进行的观察。这种情况有很多奇特之处。其中一个特别之处在于,这是卡西尼号在羽流中穿过最深的一次,在土卫二表面不足30英里(49千米)的地方进行调查。另外,卡西尼号的离子及中子质谱仪(INMS)在探测的时候交替使用“开源”和“封闭源”两种模式,而不是像以往一样始终处于关闭状态。韦特和他的同事在《新科学杂志》中写道,INMS在开源模式下和封闭源模式下都仅有25%的敏感度。但是开源有一个重要的优点:它简化了在对羽流中氢分子进行测定时的人为因素带来的系统误差。

    随着这个分析障碍的消除,韦特和他的团队计算出了氢分子占土卫二间歇泉羽流的0.4%到1.4%之间。 进一步的计算显示,二氧化碳分子(CO2)占羽流体积的0.3%至0.8%。

    土卫二的羽流喷泉中或暗藏地外生命(含视频)

    卡西尼号进行E21飞越时候观测到的氢分子、水和二氧化碳数据。上图中,质量2对应着氢分子,18为水分子,而44则是二氧化碳分子,这个探测是在封闭源中性模式下,每周期所获得的计数。而中图则为开源计数。下图为速度分布。

    根据前文所述,我们知道,氢分子可以作为热循环的标记物,而土卫二的羽流中氢分子的存在表明,在其内部存在生命居住所需的温度和能源。甚至可以说,有可能包含生命存在的全部条件。

    另外,值得一提的是,在羽流中,有一部分水蒸气凝结在了南极的冰层上,凝结过程中释放出的相变潜热在红外望远镜中,形成了土卫二的“虎纹”。在近乎真空的环境下,没有发生相变的水蒸气将大量冰晶带向空间中,少数达到了土卫二的逃逸速度,形成了土星的暗环即“E环”。

    在土星的潮汐力的作用下,土卫二中蕴藏了较多的潮汐热。科罗拉多大学博尔德分校的天文学家许翔闻等人在对其进行二氧化硅分析时候,曾将剧烈的潮汐热与热泉的喷涌形象地比作“沸腾的麦片粥”。

    土卫二的羽流喷泉中或暗藏地外生命(含视频)

    羽流示意图

    韦特和他的同事总结说,氢分子最有可能通过土卫二核心附近的高温海水和岩石之间的反应而不断提供能量。这个解释与2016年其他研究小组的研究相符合,基于这点,该研究组得出结论,卡西尼号检测到的微小二氧化硅颗粒只能在深度很大的高温海洋中产生。

    “这些探索与发现的故事似乎是’拟合‘在一起的,”西南研究所的一位科学家,《新科学杂志》的作者之一的克里斯·格连在网上如是说道。

    接下来,我们用一张图表来深入了解一下土卫二的海洋的情况。

    土卫二的羽流喷泉中或暗藏地外生命(含视频)

    在土卫二的海洋环境中,表观化学亲和力对海藻中的甲烷生成的影响(273开尔文,一个大气压下)

    上图中,橙色的线表示在羽流气体中观察到的氢分子的混合比例的范围。深蓝色的线则是稳定海洋的pH值的一个重要的模型参数。天蓝色的区域表示提供最大的化学亲和力的pH值。紫红色的虚线表示化学平衡。这张图描绘了土卫二的海洋环境下,甲烷分子生成的条件范围。从图中我们可以看出,除非海洋是高度碱性的,否则化学亲和力将是正的。而在天蓝色的范围内,强大的化学亲和力会让羽流中的较高的氢分子含量转化为强大的热力学驱动,有利于海洋中的甲烷的生成。

    总之,科学家们发现,在土卫二的环境下,甲烷非常有可能生成。然而,没有人知道这种反应是否真的发生在土卫二上。 “这并不是对生命的检测,”天文学家格莱因说。 “这次检测只是增加了宜居的可能性,若要知道到底有没有生命,还需要更多的观测。”

    土卫二的羽流喷泉中或暗藏地外生命(含视频)

    木卫二上的康纳马拉混沌地貌

    此外,天文学家还宣布了关于第二颗类似的卫星——木卫二的消息。在2014年,哈勃太空望远镜也从这颗卫星中发现了一系列喷泉活动。在《天体物理学杂志》的报道中,太空望远镜科学研究所的天文学家威廉·斯帕克斯和同事们声称,他们在2016年的数据中发现了一个可能为羽流的喷泉现象。

    但是斯帕克斯还说,这个探测是哈勃所能做到的极限,所以可能并不准确。但是像土卫二一样,木卫二也被它的母星所挤压了。从另一个角度说,这也许会造成某种伪板块构造,从而解释木卫二的康纳马拉混沌这一奇特的地貌。

    注:

    [1]羽流,流体力学名词,指一柱流体在另一种流体中移动。

    [2]潮汐热:由卫星内部由于主星或邻近卫星的引力而弯曲,产生摩擦热,叫做潮汐热。

    [3]化学亲和力:度量不同物质彼此反应的能力的物理量。

    [4]康纳马拉混沌:木卫二上奇特的地貌,康纳马拉混沌是木卫二表面冰外壳遭到挤压等扰动造成的景象。

    参考资料:J. Hunter Waite等,Cassini finds molecular hydrogen in the Enceladus plume: Evidence for hydrothermal processes(插图及数据皆摘自这篇文章)

    附录:土卫二小档案

    发现者:威廉·赫歇尔

    发现日期:1789.8.28

    轨道半长轴:237,948千米

    轨道偏心率:0.047

    轨道周期:1.37日

    平均半径:约252.1千米,是地球的0.0395倍,月球的0.1451倍

    质量:约1.08*10^20千克

    平均密度:约1.609克/立方厘米

    表面的重力加速度:0.113g

    表面最低温度:-240摄氏度(32.9开尔文)

    表面最高温度:-128摄氏度(145开尔文)

    表面平均温度:-198摄氏度(75开尔文)

    撰文:李鑫、王纪尧 | 校对:解仁江

    编排:王纪尧 | 配乐:解仁江

    『天文湿刻』 牧夫出品

    微信号:astronomycn

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    土卫二的海洋下,会有亚特兰蒂斯吗?

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