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科学家欲在土卫二搜寻地外生命  

2009-01-12 08:30:39|  分类: 文章选登 |  标签: |举报 |字号 订阅

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撰文 卡罗琳·波尔科(Carolyn Porco

翻译 谢懿

 

原本毫不起眼的土卫二,如今成了万众瞩目的明星。卡西尼探测飞船发回的数据暗示,这颗卫星南极的冰盖之下,可能拥有一大片液态水构成的海洋。地下水透过冰裂缝喷涌而出,形成了壮观的“喷泉”——同时喷出的,还有生命必需的有机化合物。这颗直径仅500千米的小卫星,会是太阳系中生命的又一个家园吗?

 

 

 

 

大约25年前,当旅行者2号(Voyager 2)探测器飞过土星及其卫星系统的时候,它距离土卫二“恩克拉多斯”(Enceladus90,000千米。在持续仅几个小时的飞掠过程中,旅行者2号上的照相机向地球发回了少量照片,但正是这些为数不多的照片让行星科学家们困惑了许多年。即使土星卫星变化多端并无标准可言,土卫二也是其中最为特殊的一个:由冰覆盖的表层洁白而明亮,犹如刚下过雪一样。相比较而言,土星其他没有大气的卫星表面则布满了环形山——这是外来天体撞击造成的陨击坑。土卫二上还散布着没有环形山的广阔平原,这清楚地表明这颗卫星拥有过由内力驱动的地质活动。对于直径刚超过500千米的土卫二而言,它的自身似乎太小了,无法产生地质活动所需的大量热量。可以肯定的是,这颗卫星上必定发生了不同寻常的事情,否则天体撞击留下的巨大痕迹怎么会凭空消失呢?

 

旅行者号和土星短暂的交会,无疑只允许我们对土卫二的芳容惊鸿一瞥。它拍摄的土卫二照片极为有限,仅有少量北半球的中等分辨率照片和一些南半球的低分辨率照片,完全没有南极的照片。土卫二没被拍到的部分会是什么样子,我们完全无法想象。

 

旅行者号探测器的造访所激起的兴趣,使得详尽探测土卫二成了卡西尼(Cassini)土星探测计划的主要目标之一。卡西尼探测飞船于1997年发射升空,花了7年时间飞越行星际空间,把有史以来最先进的仪器设备带到了外太阳系。2004年夏天,飞船终于进入了环绕土星的轨道。同年12月,飞船将“惠更斯”探测器投入土星最大的卫星——土卫六“泰坦”(Titan)的大气层中,然后继续它的土星系统之旅。更为重要的是,在过去几个月中,卡西尼探测飞船以前所未有的近距离探测了土卫二。

 

在这颗被构造地质活动破坏严重的小卫星上,卡西尼的发现正是行星科学家梦寐以求的。现在,这个隐藏在太阳系最宏大行星系统中的“小不点”吸引了无数目光,它的重要性与体型完全不相称。土卫二不仅有足够的热量来驱动地质活动改变它的表面特征,而且拥有有机化合物,表面之下可能还存在着地下河网甚至是液态水组成的海洋——而能量、有机物和液态水是目前已知的生命三要素。探测这个遥远而陌生的星球,我们面对的是一个潜在的、适合生命生存的环境。没有什么比这更激动人心的了。

 

掀起土卫二的“盖头”来

 

显示土卫二非同寻常的第一条线索,甚至在卡西尼探测飞船第一次与它密近交会之前,就已经出现了,但是当时并没有得到一致认同。20051月,我们的照相机首次拍摄到土卫二从背后被太阳照亮的照片,此时太阳、土卫二的边缘和卡西尼探测飞船差不多处在一条直线上,这一视角被行星科学家称为“高太阳张角”(high solar phase)。如果你曾经开车朝着太阳行驶,一定会注意到,覆盖在挡风玻璃上的灰尘变得清晰可见。对于散布在太阳系中的微小颗粒,情况也是如此——迎着太阳观察时更容易探测到它们。旅行者号的实践证明,这样的视角十分有利于发现光环中难以看见的结构和外行星的大气及其卫星。同样,这也是我们开启土卫二研究大门的钥匙。

 

 

 

1981年,旅行者2号探测器首次飞掠土卫二,只拍摄了土卫二部分地区的照片,而且分辨率较低。照片中平坦的地区预示着那里最近曾发生过地质活动。

土卫二(左侧)的大小,只有土星最大卫星土卫六的十分之一。这么小的天体会快速流失内部热量。除了土卫二以外,同样大小的天体在地质学上都已“死寂”。是什么使得土卫二依然“精力充沛”?

 

 

20051月拍到的照片上,土卫二南极边缘存在向外伸出的“火焰”。我们这些参加过旅行者计划的老手立刻就联想到了木卫一(Io)上冉冉升起的火山烟柱,以及海卫一(Triton)大气中薄纱般的阴霾。卡西尼探测器成像小组的一些成员坚信,这个“火焰”是有物质正从土卫二南极被抛射出来的强有力证据;其他人对此则比较谨慎,因为在这样一个背光的拍摄条件下,这极有可能是照相机产生的虚假信号。

 

我本人则保持中立。事不凑巧,我们当时都忙于安排未来的观测计划并撰写科学论文,无暇对这一现象进行进一步分析。由于没有时间进行查证,我决定不公开发表任何言论。我十分清楚,假如发表声明公开宣布在一个地质学上被认为早已死亡的天体上发现有物质被抛射出来,随后又不得不承认这是照相机产生的一个污迹,会非常难堪。幸运的是,水落石出的那一天,并没有让我们等太久。

 

卡西尼探测飞船和土卫二的前两次密近交会,发生在2005年的2月和3月。飞船从土卫二的赤道上方沿着赤道飞过,两次飞掠都传回了惊人的结果。旅行者号拍到的平原其实根本就不“平”。相反,在分辨率达到亚千米量级的照片中,可以看到平原上遍布着纤细的裂缝,有的呈直线形、有的呈弧线形,形成年代不同的裂缝和凹槽在一些地方还相互交叠。在土卫二的其他地方,表面上的裂痕甚至深达500。在更小的尺度上,一些大致平行的窄裂痕构成的“蜘蛛网”,将地形地貌“切”成了“薄片”。显而易见,土卫二过去经历过多个截然不同的地质构造活跃期,表面的累累“伤痕”就是最好的证明。

 

20052月的飞掠过程中,卡西尼探测飞船还拍摄到另一张高太阳张角照片,照片上出现了比上一次更大、更生动的“火焰”。此外,飞船上的磁强计发现,当土星磁场由于土星的自转而扫过土卫二时,磁场的磁力线被扭曲了——这是磁力线遭遇到大质量离子的征兆。这些离子的来源似乎正是土卫二的南极。现在证据确凿了:我们先前拍摄到的图像决不是虚假信号。

 

卡西尼任务科学家将这一发现呈报给项目主管,期望得到更好的观测机会——确切地说,是希望把20057月卡西尼飞船飞掠土卫二的高度从1,000千米降到168千米。主管们同意了。2005714,卡西尼飞船从土卫二南半球中高纬度地区上空飞过,第一次拍摄到了土卫二南极的清晰图像,那里有着太阳系中绝无仅有的惊人地貌。

 

土卫二的南极基本上是一个圆形区域,完全没有环形山,但是明显分布着几条深深的平行裂纹,我们称它们为“虎皮纹”(tiger stripes)。这些裂纹几乎等间距排列,绵延130千米之后,拐了一个弯钩状的弯,并终止于此。与密布着纤细凹槽的普通平原地区相比,“虎皮纹”之间的区域要明亮一些。在土卫二的南纬55度处,蜿蜒曲折的山脉和山谷形成了一个以南极为中心的圈,明确界定了南极地区的边界。这条边界的蜿蜒方向在经度上每隔大约45度便出现一次拐弯,还有一些长长的裂纹从边界上向赤道方向探出,深入大片没有环形山的地区。

 

根据这些山脉和山谷的结构及排布,卡西尼成像小组成员、美国康奈尔大学的保罗·赫尔芬斯坦(Paul Helfenstein)推测,这一边界是土卫二表面在南北方向上受到水平挤压造成表面隆起而形成的,类似于由板块边缘挤压造成的喜马拉雅造山运动;而土卫二南极的整个封闭区域就像大西洋中脊,是新地表形成和向外扩张的中心发源地。

 

土卫二满目疮痍的表面清楚地告诉我们,这颗小卫星经历过十分活跃的地质活动,但正如我们即将要发现的,它的现状更加令人震惊不已。卡西尼探测飞船在飞经土卫二南极地区边缘的上方时,尘埃分析仪检测到了明显来自“虎皮纹”地区的微小粒子;卡西尼上的其他两个仪器探测到了水蒸气,其中一个还发现了二氧化碳、氮和甲烷的信号:卡西尼探测飞船当时必定穿过了一片稀薄的气体云。

 

更有甚者,热红外成像仪探测到裂痕沿线的温度异常升高:如果仅由阳光照射提供热量,土卫二的温度应该为70 K,但裂痕附近温度远高于此,可能高达180 K。这些地区以每平方米60瓦的惊人功率向外输出热量,远远大于美国黄石地热地区每平方米2.5瓦的产热率。在超出红外设备分辨能力的更小地表范围内,温度甚至会更高。

 

直到此时,我们仍然无法相信自己会如此幸运,有机会“涉足”这样一个奇妙的世界。卡西尼成像小组快速响应,计划在4个月后(即200511月底)专门拍摄一系列极高太阳张角的、土卫二南极的高分辨率照片。与此同时,我们也拍摄了许多其他土星卫星的高太阳张角照片。在研究团队中图像分析专家的帮助下,我向怀疑我们团队的人证明,这些照片中没有出现任何类似“火焰”的东西,从而证明我们在土卫二照片中看到的绝对不是虚假信号。我们保持中立的日子终于到头了,所有人都意识到,我们在那张照片中看到的“火焰”,其实是一片十分巨大的、从土卫二南极上空向外延伸至少数百千米的微粒云。

 

20051127,我们拍摄的一系列令人吃惊的月牙状土卫二黑白照片终于传回地球,清楚地显示了十几个狭长的喷流正将微小的冰粒射向太空,在土卫二南极上空形成了一个虽然暗弱但十分巨大的火焰形粒子云。我和成像小组成员、美国空间科学研究所的约瑟夫·斯皮塔莱(Joseph Spitale)后来做的分析显示,这些喷流的源头正是“虎皮纹”中温度最高的区域——这是热量和喷流活动相关联的第一个决定性证据。绝大多数粒子最终都会落回到土卫二表面,但是一些高速粒子可以挣脱土卫二的引力进入围绕土星运动的轨道,这直接导致了土星最外侧光环E环的形成。

 

无论从哪个角度来说,这张照片都是一个重要发现:土卫二这颗本该冰冷彻骨的小卫星,无可争议地存在着内部活动。我不禁联想到,第一个发现黄石间歇泉喷发奇景的人,当时的感受大概也是如此吧。

 

生命新乐土

 

我们仍在不断检验和完善我们对于土卫二为何会如此活跃的认识。但是不管怎样,液态水几乎不可避免地要“出现”在土卫二的表层之下。如果地下海洋真的存在,这颗小小的卫星上就可能拥有适合生命生存的环境,至少生命前身可以存在——这样的可能性令我们激动不已。土卫二似乎具备了生命所需的一切:液态水、必需的化学元素和过剩的能量。与土卫二生态系统最为相似的,是地球上地表之下的火山地层(volcanic strata),液态水在那里的炽热岩石间流动,完全照不到阳光,也没有任何由阳光照射而产生的物质。但是,那里却发现了微生物,它们消耗氢或者二氧化碳,生成甲烷或者氢和硫——所有的能量都并非来自太阳,而是来源于地球内部的热量。

 

 

由水蒸气和冰粒组成的喷流从土卫二南极地区的缝隙深处喷涌而出,使土卫二与地球、木卫一、海卫一并列,成为了太阳系中目前仅有的4个具有地质活动的天体。这是艺术家绘制的载人探测土卫二的想象画,参考宇航员的大小可以看出画中物体的尺寸。

 

土卫二的现状显然是过去许多地质构造事件的综合结果,我们才刚刚开始根据散落在它表层上的珍贵线索,重建这颗卫星的历史。许多问题就连如此能干的卡西尼探测飞船也无法回答。我们必须再派遣一艘探测飞船,携带特殊设备环绕土卫二飞行,或者降落到它的表面实地考查,才能找到答案。环土卫二的轨道飞行器可以完整地测量它的引力场和表面地貌,揭露它的内部质量分布,从而确定是否真的存在地下液体层。装备了地震仪的小型着陆器则可以探测地下水流动所产生的声音。

 

复杂航天计划的高昂造价和非常耗时的研发过程意味着,我们必须十分明确地选定探测目标。许多科学家渴望重返木卫二“欧罗巴”(Europa),因为木星的这颗卫星似乎也具有可承载地外生命的地下海洋。然而在我看来,未来对土卫二展开探测,更可能获得更令人兴奋的结果。科学家们并没有在木卫二上发现活跃的喷口,为了取样探测它内部是否存在生态系统,就必须钻探很深,这样一个极具挑战的浩大工程在我们的有生之年肯定无法实现。相比之下,对土卫二内部进行采样探测要容易得多,只要飞过它喷出的粒子云,或者在南极地区着陆,找个冰缝伸出探测器即可。

 

此外,由于土星的磁层(magnetos-phere)要比木星弱很多,因此环绕或者登陆土卫二的探测器不会向木卫二探测器那样,遭遇到可能会限制探测任务的严重辐射问题。最后,在飞往土卫二的过程中,探测器还可以顺便探测土卫六,这颗卫星是土星系统中寻找生命所需化学物质的又一个理想目的地(参见《环球科学》2007年第6期封面故事《甲烷:火星与泰坦的生命证据?》一文)。

 

我们欣喜地看到,人类对土星及其卫星系统所做的首次深入探测,已经向我们提示了土卫二这颗神秘卫星的南极地区发生的美妙景象——奇特且永不平静的深深冰缝,以及高耸天际、若隐若现的喷泉。如此罕见的奇妙发现是对我们思想和灵魂的双重回报。作为行星科学家,我们已经别无他求了。(节选自《环球科学》2009年01期)

 

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