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宜居星球?土衛二地下海水或已「保溫」數十億年

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2018

2018年1月27日22時 今日科學 IT之家要聞

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北京時間11月14日消息,據國外媒體報導,如果從土衛二南極上空飛過,你會見到一幅無比壯觀的圖景。這顆被冰雪覆蓋的衛星時常向太空中噴出一股股羽狀噴流,說明土衛二存在全球性的地下海洋。科學家一直無法解釋這麼小的衛星哪來維持液態海洋所需的能量,但一項新研究顯示,答案也許與土衛二內核的多孔結構有關。數十億年來,土衛二上的水從未乾涸過,說明它也許是一顆宜居星球。

圖為土衛二

土衛二的羽狀噴流

土衛二的內層結構

這項發表在《自然天文學》(Nature Astronomy)上的新研究首次分析了擁有岩質內核的土衛二產生持續地熱活動、為地下海洋保溫的機制,關鍵在於,該研究採用的3D模型顯示,這一過程可能已持續了數十億年。並且為維持該過程,其內核必須濕潤而多孔。對尋找外星微生物的天體物理學家而言,這項觀測結果無疑是個好兆頭。

土衛二直徑約500公里,完全被冰殼覆蓋。冰層最厚處約為20至25公里,但在南極的最薄處則僅有幾公里。正是在冰層較薄的南部地區,我們發現了土衛二的「間歇泉」現象,水蒸氣和冰粒時常從冰層裂隙中噴出,有些冰粒中還含有簡單有機物。

土衛二的確在將自己的海洋噴入太空之中。多虧卡西尼號探測器,我們知道了這些蒸汽中含有鹽和矽石粉塵。但要保有這些物質,海洋底部的溫度必須極高。有了卡西尼號的探測結果,我們了解到土衛二的液態海洋與溫暖的岩質內核的交界處正在發生某些重要的化學反應。

「只有規模驚人的熱能(超過兩百億瓦)才能解釋這些觀測結果,此外還需要一種位於南極附近的內核活動機制。」該研究作者寫道。

目前我們還不清楚土衛二如此驚人的能量從何而來。該過程所需熱量高達內核岩石放射性物質衰變產生熱量的100倍。也許土衛二的宿主行星——土星承擔了大部分工作。土衛二沿一橢圓軌道圍繞土星轉動,引力的持續推拉造成了潮汐效應,使土衛二的內核物質相互摩擦,從而產生熱量。但這也不足以抵消通過海洋散發的熱量。按科學家掌握的全部情況來看,土衛二應該僅堅持了3千萬年就徹底凍結成冰了才對。

然而,如今的土衛二仍然水分充足、活動頻繁,因此必然存在另一種機制。為找出事件真相,一支由法國南特大學加埃勒·舍布雷(Ga?l Choblet)領導、由美國和歐洲科學家組成的研究團隊藉助一系列3D模擬、對土衛二內部情況展開了分析。

「土衛二究竟是如何持續獲取能量、保持活躍狀態的?這向來是個未解之謎。但如今我們開始更加詳細地思考,土衛二岩質內核的結構與組成究竟在產生所需能量的過程中扮演了怎樣的關鍵作用。」舍布雷指出。

根據其研究模型,只有當土衛二的內核由不堅固、易變形的多孔岩石構成時,才可能維持目前的液態海洋。如果這些孔狀結構占據了內核的20%至30%,冰冷的液態水便可湧入內核,並由潮汐效應引發的摩擦加熱(核心水溫可達363開爾文,即90攝氏度)。當這部分海水溫度高於周圍海水時,便會向上運動、並從冰層縫隙中噴出,類似於地球上的海底熱泉。這一過程不斷重複,形成某種意義上的水力循環。每過2500萬年至2.5億年,土衛二的全部海水便經由內核加熱一遍。最驚人的是,該模型顯示,這一過程可持續數十億年之久。

NASA天體物理學研究所科學家克里斯多福·格倫(Christopher Glein)指出,這項研究解答了一個重要問題:如何在一顆小型冰質衛星內部建立地熱系統。

「相比以往,我們將觀測與理論,化學與物理結合得更加緊密,從而更加全面地了解了土衛二的運作機制。」格倫解釋道,「一顆外星球上的地熱系統能夠為生命提供能量和營養物質,我一想到就激動不已。這項研究進一步證明土衛二將是本世紀太空探索的熱門目標。」

的確,除了溫暖的海水、有機分子、以及其它的生命「必備組件」之外,土衛二的海洋出現至今也許已有數十億年,理論上而言,這麼長的時間已經足夠產生簡單微生物了。但在進一步探索土衛二之前,我們還無法暫下定論。

「這些科學家做了一項偉大的工作。」康奈爾大學天體物理學與行星科學研究中心的天文學家喬納森·魯寧(Jonathan Lunine)表示,「在多孔、濕潤的內核中產生的潮汐熱很能說得通,確實能給海水加熱。」

NASA太空科學與工程部門項目主管亨特·懷特(Hunter Waite)也肯定了這種理論,並提到了他今年早期擔任共同作者的一項研究:「岩質內核中產生的潮汐熱是地熱活動與氫氣製備的重要組成部分,我們在《科學》上發表的那篇探討分子氫製備的論文中也討論了這一點。」

不過,雖然這項新研究解釋了土衛二的液態全球性海洋、內部產熱、南極冰層較薄的現象、以及地熱活動,但並未解釋為何土衛二北極區域存在遍布撞擊坑的遠古冰層。而按該模型的預測,土衛二兩極的冰層都應當相對較薄。因此仍有奧秘尚未解開,我們仍需開展進一步研究。


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