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NO.2489-目标土卫二

文本：行星不发光

校对：顾寒英/编辑：莫

2022年10月，中国科学技术大学郝继华团队通过计算模型模拟了土卫二地下海洋的化学成分，首次揭示土卫二海水可能富含磷。 2023年5月17日，维拉纽瓦等人使用詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）观测土卫二。结果显示，土卫二喷出的羽流长达1万公里，约为土卫二直径的20倍。 （如图2所示）。

有机分子和冰粒进入土卫二羽流的过程

（图片来源：NASA/JPL）

羽流的主要成分是水蒸气。喷射到太空的物质大约有30%进入土星的E环，70%则分散在土星系统的其他位置。 2023年6月14日，《自然》杂志发表了Sekine Yasuhito团队的研究成果。研究分析了卡西尼号探测器收集到的土星E环中颗粒的化学成分，发现E环中的冰颗粒富含磷酸钠，并估计土卫二地下海洋中的磷浓度约为1-20毫摩尔/小时。 kg，至少是地球海洋中磷浓度的100 倍。

卡西尼号的宇宙尘埃粒子分析仪分析了九个单个冰粒子以获得它们的光谱。图的右下侧显示了叠加的光谱。在钠盐和磷酸盐对应的位置有明显的峰，表明E环含有丰富的磷元素。

（图：Yasuhito et al2023）

随着土卫二上磷的发现，行星科学家和公众开始重新关注这颗冰冷的卫星。为什么土卫二在如此冰冷的环境下仍拥有液态水海洋？土卫二上磷酸盐的发现意味着什么？此外，人类目前对土卫二的认识从何而来？科学家对可能存在外星生命的行星的关注是否会导致进一步的探索计划？

土卫二长这个样子（图片：wiki）

卡西尼号探测器与土卫二目前，人类对土星系统的认识主要来自于卡西尼-惠更斯号。该太空探测器的任务是美国宇航局、欧洲航天局（ESA）和意大利航天局（ASI）之间的合作。卡西尼-惠更斯号于1997年10月15日发射升空，2004年7月抵达土星轨道。同年12月25日，卡西尼号与惠更斯号分离。次年1月14日，惠更斯号成功登陆土卫六并传回数据。卡西尼号已在轨运行13年，返回了大量数据。它是目前人类了解土星系统的主要信息来源。

卡西尼-惠更斯号发射（图片：wiki）

卡西尼号在轨运行13年期间发回了大量数据，行星科学家尚未完成对其发回数据的分析。我们简单回顾一下人类不断认识土卫二的过程： 1、1980年11月，航海家一号发现土卫二位于土星E环最密集的位置； 2、1981年8月，航海者二号发现土卫二的表面既有古老的撞击坑，也有年轻的地貌；

土卫二上受损的撞击坑（图片：wiki）

3. 2005年2月，卡西尼号宇宙尘埃分析仪记录了数千次微小尘埃或冰粒的撞击，证实E环是一个由冰粒组成的宽环；

土卫二和土星的E环（图片来源：NASA）

4. 2005年7月，卡西尼号获得了土卫二南极地区的图像。图像显示其表面存在活跃的地质活动，并发现了大而温暖的裂缝，也称为“虎纹”。

卡西尼号在12-16微米波段观测到的热成像图像

土卫二南极地区有4处温度明显升高的裂缝

（图片来源：NASA/JPL/GSFC/SSI）

5、2006年，卡西尼号观测了土星的E环，证明土卫二上间歇泉喷出的物质是E环的主要物质来源。同年，卡西尼号的高分辨率图像结合其他数据推测土卫二南极下方存在液态水海洋。 6. 2007年10月，卡西尼号上的复合红外光谱仪获得的数据表明，几乎所有间歇泉都来自土卫二南极温度较高的4条裂缝。

土卫二南极地区间歇泉的形成

（示意图，照片：NASA）

7. 2008年3月，卡西尼号上的离子和中性质谱仪（INMS）分析了土卫二的羽流，检测到水蒸气、二氧化碳、一氧化碳和有机物。分子（主要是小于50 个原子质量单位的简单有机化合物）。 8. 2008年8月，卡西尼号精确定位了土卫二表面喷发羽流的位置。图像显示，土卫二表面裂缝深约300米，内壁呈V形。裂缝外侧沉积了大量的细小物质和数十米大小的冰块。同年12月，土卫二上发现了更多地质活动，例如冰壳的定向扩散。

土卫二裂缝剖面结构示意图

（图片来源：NASA/JPL）

9. 2009年6月，卡西尼号在土星最外环的冰粒中检测到钠盐。同年9月，在羽流中发现了氨。 10. 2010年2月，卡西尼号小组发现土卫二表面压力最高的区域与红外地图上最热的区域并不完全重叠。据推测，土卫二自转时其自转轴会发生轻微振荡。

从土卫二喷出的羽流（图片：wiki）

11. 2014年4月，Less和其他人利用卡西尼号飞越土卫二的多普勒频移数据绘制了其内部结构图。研究结果表明，土卫二在30-40公里的冰层下有一个10公里深的液态水海洋。地下海洋从南极洲一直延伸到中南纬度地区，其含水量相当于苏必利尔湖。同年7月，人们发现土卫二表面的101个间歇泉与其地下海洋相连。这些间歇泉为研究地下海洋的宜居性提供了样本。 12. 2015年3月，卡西尼号宇宙尘埃分析仪的数据显示，当土卫二中含有溶解矿物质的热水向上移动并与较冷的水接触时，形成了微小的富含硅的岩石颗粒。

土卫二表面的间歇泉（想象，图片：NASA）

13、2016年，科学家利用卡西尼号七年的观测数据，准确确定了土卫二的自转状态，推测土卫二冰层下存在全球性的液态水海洋，而不是局部的极地液态水海洋。 14. 2017年4月，卡西尼号离子和中性质谱仪在土卫二羽流中检测到大量氢。大量的氢气表明土卫二上存在持续的加热过程。同年9月，为了防止地球上可能附着的微生物污染土星卫星的环境，卡西尼号自愿坠入土星大气层并燃烧殆尽。

卡西尼号的坠落（想象图，图片：NASA）

15、2017年11月，法国南特大学行星科学家Gael Jobret团队利用卡西尼号飞船传回的数据和地球上的工程实验数据，对土卫二内部结构和液态水循环进行研究。进行了模拟来解释土卫二南极地区的羽流现象。

卡西尼号穿过土卫二的羽流（照片：NASA）

16、2018年，Postberg等人分析了卡西尼号宇宙尘埃粒子分析仪对土卫二羽流的探测数据，发现了相对复杂的高分子有机化合物（分子量超过200原子质量单位）。目前，行星科学家不仅确定土卫二拥有生命六种基本元素——碳、氢、氧、氮、硫、磷，而且还拥有适合生命存在的地下液态水海洋。因此，土卫二成为太阳系中最有可能孕育生命的天体之一。

土卫二夜空想象图（图片：wiki）

土卫二是土星的第六大卫星，也是距离土星距离排序第十四大的卫星。 1789年8月，威廉·赫歇尔通过1.2m望远镜首次发现了第二颗土星卫星。因此，它被称为土卫二。它的平均直径约为505公里，相对较小。

他也是天王星的发现者（图片：wiki）

土卫二表面的几何反照率高达138%，位于太阳系的雪线处（雪线也称为冰冻线，在天文学或行星科学中是指距太阳系中心的特定距离）原恒星的温度足够低，可以使水、氨、甲烷、二氧化碳和一氧化碳等挥发性化合物凝结成固体冰颗粒。在太阳系中，雪线位于小行星带和木星轨道之外。它的表面夜间平均温度仅为196C，比其他土星卫星要冷。另一方面，这种大小的卫星通常无法在内部储存或产生足够的热量，因此它会是完全冻结的固体，但土卫二的情况并非如此，它冰冷的外壳下有液态水海洋。

土卫二和英国的大小对比（图片来源：NASA）

土卫二上存在地下液态水海洋的主要原因是潮汐加热。当土卫二绕土星运行时，由于其轨道的偏心率，土星的引力会周期性地将土卫二“压扁、变圆”，导致其内部被“挤压和拉扯”，产生大量的连续振动。热能。另外，由于土卫二的形状不规则，土星的引力会对其产生净力矩，迫使土卫二摆动。这也会在土卫二内部产生大量热量，主要集中在南极地区。科学家通过模型模拟了这种重力扰动，发现这次摆动对应的地表最大应力范围恰好与南极地区一致。

热成像图中，土卫二的热量主要集中在南极地区

（图片来源：NASA/JPL）

为了更好地解释土卫二的产热机制。 2017年11月，法国南特大学行星科学家Gael Jobret团队假设，——土卫二的岩石核心具有高孔隙率、柔软、海绵状的核心。在土星潮汐重力的影响下，会产生持续稳定的摩擦热（潮汐加热是一个相对稳定的加热过程。如果岩石核心的岩浆是粘性的，潮汐重力会产生更多的摩擦热。如果温度上升，岩心内的岩浆容易流动，潮汐重力产生的摩擦热减少）。通过计算机模拟发现，产生的热量高达10GW，足以让土卫二的地下海洋保持液态数千万至数十亿年。模拟还表明，核心的两极应该对应于冰壳较薄的区域。这将在很大程度上解释土卫二南极地区的活动，但不能解释为什么北极没有类似的羽流。

土卫二上潮汐加热产生的间歇泉

（图片来源：NASA/JPL/SSI）

喷气推进实验室（JPL）的丹尼斯·马特森博士和其他人认为，潮汐加热仍然不足以解释它可以产生液态水并形成水蒸气喷射到太空中。产生和维持卡西尼号观测到的温度和喷流所需的过程需要更多的热量。他们推出了一种新模式。该模型表明土卫二的热量来自放射性衰变热和潮汐加热。一般认为，太阳系形成后不久，放射性衰变就失去了大部分热量，而土卫二由于某种原因保留了这些热量。该模型还预测土卫二仍处于可能持续约十亿年的冷却阶段。

土卫二表面纹理（图片来源：NASA）

土卫二上发现磷酸盐，这意味着什么？磷是遗传物质DNA/RNA、能量储存化合物三磷酸腺苷/ATP以及细胞膜的重要成分之一。土卫二上磷的发现完成了生命存在所需的最后一块拼图。这意味着土卫二几乎具备生命存在所需的所有条件。更重要的是，土卫二的地下液态水海洋富含可溶性磷，很容易维持生命。目前，研究估计土卫二液态水海洋中磷的浓度是地球海洋的100-1000倍。水中磷的浓度影响生物体的生长和繁殖。例如，富营养化的湖泊会导致藻类大量繁殖。

如Landsat 8拍摄的圣克莱尔湖卫星图像

画面中长满了很多绿藻（图片来源：NASA）

在地球的海洋中，正是由于大量生物的存在，海洋中的磷被消耗到了很低的浓度；如果土卫二上确实存在生命，为什么其液态水海洋中的磷含量如此之高？这可能意味着土卫二上根本不存在生命，或者生命只能以非常缓慢的速度新陈代谢。然而，这样一个磷含量如此之高的液态水海洋对于任何潜在的外来生物来说都是个好消息，也可能是未来人类最好的中途停留地或补给站之一。

土卫二的结构，如图

（图片：郝继华等2022）

值得注意的是，检测到的磷酸盐来自土星的E环，而不是直接来自土卫二的羽流或土卫二的表面。尽管几乎可以肯定土卫二地下液态水海洋中存在磷酸盐，但我们仍然需要保持谨慎。未来，如果有新的探测器对土卫二进行近距离探测和采样研究，不仅能够验证土卫二的地热机制，还能确认土卫二地下液态水海洋中是否存在生命。这对于寻找外星生命具有重要意义。

土卫二、地球、月球的大小（图片：wiki）

在太阳系中，包括但不限于金星、火星、土卫二、土卫六和木卫二，它们都是可能存在外星生命的天体。在火星上发现水后，行星科学家启动了毅力号火星探测任务；在金星上发现磷化氢分子后，行星科学家设计了达芬奇探测器（DAVINCI+）、Venus-D任务和VERITAS任务等。

探索永无止境（图片来源：NASA）

如今，土卫二上已经发现了可以被生命吸收的磷酸盐，但相应的探测计划还没有提上日程。行星科学家的“新欢旧爱”中，唯一不变的就是他们对探索和研究外星生命的坚持。虽然卡西尼号退役后无后继者，但“冰月计划”JUICE于2023年4月14日启动，其主要任务目标是探测木星系统，包括但不限于木卫二和木卫三。和木卫四的地下液态水海洋。

“冰月计划”果汁探测器行程计划

（图片来源：EAS）

土卫二和木卫二有着相似的环境。木卫二的探测将帮助人类了解这些冰冷卫星的地下液态水海洋以及是否存在外星生命。

参考：

1. Villanueva G. L.Hammel H. B.Milam S. N. 等人。 JWST 土卫二环面水羽流的分子测绘和表征。自然天文学，2023

2. Frank P.Yasubito S.Fabian. 等人。检测源自土卫二海洋的磷酸盐。自然，2023。DOI:10.1038/s41586-023-05987-9。

3. 郝建华，Christopher R.G.等。土卫二海洋中预计存在丰富的磷，可能存在生命。地球、大气和行星科学。 2022.DOI:10.1073/pnas.2201388119

4. https://solarsystem.nasa.gov/news/12916/cassini-at-enceladus-a-decade-plus-of-discovery/

5. https://www.wikiwand.com/zh-hans/%E5%8D%A1%E8%A5%BF%E5%B0%BC%E5%8F%B7%E6%8E%A2%E6%B5%8B%E5 %99%A8

6.http://news.bbc.co.uk/2/hi/science/nature/4895358.stm#map

7. https://www.nasa.gov/mission_pages/cassini/whycassini/cassini20100708-b.html

8. https://www.jpl.nasa.gov/news/cassini-spacecraft-reveals-101-geysers-and-more-on-icy-saturn-moon

*本文内容由作者提供，不代表地球知识局立场

封面：依图网

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