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新發(fā)現(xiàn)首次揭示了土衛(wèi)二海水中可能含有豐富的磷

地球知識(shí)局 2023/7/15 18:56:08 責(zé)編:夢(mèng)澤

本文來(lái)自微信公眾號(hào):地球知識(shí)局 (ID:diqiuzhishiju),文字:行星不發(fā)光,校稿:辜漢膺 / 編輯:蛾

原文標(biāo)題:《重大發(fā)現(xiàn),這個(gè)星球可能存在生命》

2022 年 10 月,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)郝記華團(tuán)隊(duì)通過(guò)計(jì)算模型模擬了土衛(wèi)二地下海洋的化學(xué)成分,首次揭示了土衛(wèi)二海水中可能含有豐富的磷元素。

2023 年 5 月 17 日,Villanueva 等人利用詹姆斯?韋伯太空望遠(yuǎn)鏡(JWST)對(duì)土衛(wèi)二進(jìn)行觀測(cè),研究結(jié)果表明土衛(wèi)二噴出的羽流長(zhǎng)達(dá) 10000km,約為土衛(wèi)二直徑的 20 倍(如圖 2)。

土衛(wèi)二有機(jī)分子和冰粒進(jìn)入羽流的過(guò)程

(圖:NASA / JPL)▼

羽流的主要成分為水蒸氣,其中噴射到空間中的物質(zhì)中大約 30% 進(jìn)入土星的 E 環(huán),70% 則散布在土星系統(tǒng)的其他位置。

2023 年 6 月 14 日,《自然》雜志發(fā)表了關(guān)根康仁團(tuán)隊(duì)的研究結(jié)果。該研究分析了卡西尼號(hào)探測(cè)器收集的土星 E 環(huán)中粒子的化學(xué)成分,發(fā)現(xiàn) E 環(huán)中的冰粒富含磷酸鈉,并估計(jì)土衛(wèi)二地下海洋的磷濃度約為 1-20 mmol / kg,至少是地球海洋磷濃度的 100 倍。

卡西尼號(hào)的宇宙塵埃顆粒分析儀通過(guò)對(duì) 9 個(gè)單冰粒的分析,獲得了它們的光譜圖。圖中右下為疊加后的光譜圖,在鈉鹽和磷酸鹽對(duì)應(yīng)的位置存在明顯峰值,表明 E 環(huán)中含有豐富的磷元素。

(圖:Yasuhitoet al2023)▼

隨著土衛(wèi)二上磷元素的發(fā)現(xiàn),行星科學(xué)家和大眾開(kāi)始重新關(guān)注這顆冰冷的衛(wèi)星。土衛(wèi)二在如此冰冷的環(huán)境中為什么會(huì)存在液態(tài)水海洋?土衛(wèi)二上磷酸鹽的發(fā)現(xiàn)意味著什么?

此外,目前人類(lèi)對(duì)土衛(wèi)二的了解來(lái)自哪里?科學(xué)家對(duì)可能存在地外生命的行星的關(guān)注,是否會(huì)產(chǎn)生進(jìn)一步的探測(cè)計(jì)劃?

土衛(wèi)二,長(zhǎng)這樣(圖:wiki)▼

卡西尼探測(cè)器與土衛(wèi)二

目前,人類(lèi)對(duì)土星系統(tǒng)的認(rèn)知主要來(lái)自于卡西尼-惠更斯號(hào)(Cassini-Huygens)。該太空探測(cè)器的任務(wù)是由美國(guó)宇航局(NASA)、歐洲宇航局(ESA)和意大利宇航局(ASI)合作執(zhí)行的。

卡西尼-惠更斯號(hào)于 1997 年 10 月 15 日發(fā)射升空,2004 年 7 月抵達(dá)土星軌道。同年 12 月 25 日,卡西尼號(hào)和惠更斯號(hào)分離。

次年 1 月 14 日,惠更斯號(hào)成功著陸土衛(wèi)六,并傳回?cái)?shù)據(jù)。而卡西尼號(hào)則在軌運(yùn)行了 13 年,傳回了大量數(shù)據(jù),是人類(lèi)目前了解土星系統(tǒng)的主要信息來(lái)源。

卡西尼-惠更斯號(hào)發(fā)射(圖:wiki)▼

卡西尼在軌的 13 年間,傳回了大量的數(shù)據(jù)資料,目前行星科學(xué)家仍未分析完其傳回的數(shù)據(jù)。下面我們來(lái)簡(jiǎn)單梳理一下人類(lèi)對(duì)土衛(wèi)二的不斷認(rèn)識(shí)過(guò)程:

1.1980 年 11 月,旅行者 1 號(hào)發(fā)現(xiàn)土衛(wèi)二位于土星 E 環(huán)密度最高的位置;

2.1981 年 8 月,旅行者 2 號(hào)發(fā)現(xiàn)土衛(wèi)二表面既存在古老的撞擊坑,又存在年輕的地貌構(gòu)造;

土衛(wèi)二上的破損撞擊坑(圖:wiki)▼

3. 2005 年 2 月,卡西尼號(hào)的宇宙塵埃分析儀記錄了數(shù)千次來(lái)自微小塵?;虮5淖矒?,證實(shí)了 E 環(huán)是由冰粒組成的寬環(huán);

土衛(wèi)二與土星 E 環(huán)(圖:NASA)▼

4. 2005 年 7 月,卡西尼號(hào)獲得了土衛(wèi)二南極地區(qū)的圖像。圖像顯示其表面存在活躍的地質(zhì)活動(dòng),并發(fā)現(xiàn)了巨大且溫度較高的裂縫,也被稱為“虎紋”。

卡西尼號(hào)在 12-16 微米波段觀測(cè)到的熱成像圖

土衛(wèi)二南極地區(qū)存在四條溫度明顯較高的裂縫

(圖:NASA / JPL / GSFC / SSI)▼

5. 2006 年,卡西尼對(duì)土星的 E 環(huán)進(jìn)行了觀測(cè),證明了土衛(wèi)二上的間歇泉噴射的物質(zhì)是 E 環(huán)的主要物質(zhì)來(lái)源。同年,卡西尼的高分辨率圖像結(jié)合其他數(shù)據(jù)推測(cè)土衛(wèi)二南極地下存在液態(tài)水海洋。

6. 2007 年 10 月,卡西尼號(hào)搭載的符合紅外光譜儀獲得數(shù)據(jù)表明幾乎所有間歇泉均來(lái)自土衛(wèi)二南極溫度較高的四條裂紋附近。

土衛(wèi)二南極地區(qū)間歇泉的形成

(示意圖,圖:NASA)▼

7. 2008 年 3 月,卡西尼號(hào)上的離子與中性粒子質(zhì)譜儀(Ion and Neutral Mass Spectrometer, INMS)對(duì)土衛(wèi)二的羽流進(jìn)行分析后,檢測(cè)到了水蒸氣、二氧化碳一氧化碳有機(jī)分子

(大多為低于 50 原子質(zhì)量單位的簡(jiǎn)單有機(jī)化合物)。

8. 2008 年 8 月,卡西尼號(hào)精確地定位了羽流從土衛(wèi)二表面噴發(fā)的位置。圖像顯示土衛(wèi)二表面的裂縫深約 300 m,內(nèi)壁呈 V 形,在裂縫外側(cè)有大量細(xì)小物質(zhì)的沉積物和數(shù)十米大小的冰塊。同年 12 月,發(fā)現(xiàn)土衛(wèi)二更多的地質(zhì)活動(dòng),如冰殼的定向擴(kuò)散。

土衛(wèi)二的裂縫橫截面結(jié)構(gòu)示意圖

(圖:NASA / JPL)▼

9. 2009 年 6 月,卡西尼號(hào)在土星最外層環(huán)的冰粒中檢測(cè)到了鈉鹽。同年 9 月,在羽流中發(fā)現(xiàn)了。

10. 2010 年 2 月,卡西尼團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)土衛(wèi)地表二壓力最大的區(qū)域與紅外地圖上最熱的區(qū)域并不完全重疊,推測(cè)土衛(wèi)二在自轉(zhuǎn)時(shí)自轉(zhuǎn)軸存在輕微的擺動(dòng)。

土衛(wèi)二噴射出的羽狀物(圖:wiki)▼

11. 2014 年 4 月,Less 等人利用卡西尼飛掠土衛(wèi)二時(shí)的多普勒頻移數(shù)據(jù)繪制了其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。研究結(jié)果表明土衛(wèi)二在 30-40 公里的冰層下存在 10 公里深的液態(tài)水海洋,地下海洋從南極延伸至中南緯度地區(qū),其含水量相當(dāng)于一個(gè)蘇必利爾湖。

同年 7 月,發(fā)現(xiàn)土衛(wèi)二表面上的 101 個(gè)間歇泉與其地下海洋相連接,這些間歇泉為研究地下海洋的宜居性提供了樣本。

12. 2015 年 3 月,卡西尼號(hào)的宇宙塵埃分析儀數(shù)據(jù)表明富含硅的微小巖石顆粒是土衛(wèi)二中溶解了礦物質(zhì)的熱水向上運(yùn)動(dòng)與較冷的水接觸時(shí)形成的。

土衛(wèi)二表面的間歇泉(想象圖,圖:NASA)▼

13. 2016 年,科學(xué)家利用卡西尼號(hào)七年的觀測(cè)數(shù)據(jù)精確地確定了土衛(wèi)二的旋轉(zhuǎn)狀態(tài),并推測(cè)土衛(wèi)二冰層下存在全球液態(tài)水海洋而非局部極地液態(tài)水海洋。

14. 2017 年 4 月,卡西尼的離子和中性質(zhì)譜儀在土衛(wèi)二的羽流中檢測(cè)到大量的,大量的氫氣表明土衛(wèi)二存在連續(xù)的加熱過(guò)程。

同年 9 月,為了避免可能附著有地球的微生物污染土星衛(wèi)星環(huán)境,卡西尼號(hào)主動(dòng)墜入土星大氣,燃燒殆盡。

卡西尼號(hào)的隕落(想象圖,圖:NASA)▼

15. 2017 年 11 月,法國(guó)南特大學(xué)的行星科學(xué)家蓋爾?喬布雷特團(tuán)隊(duì)利用卡西尼號(hào)航天器返回的數(shù)據(jù)和在地球上的工程實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)土衛(wèi)二的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和液態(tài)水循環(huán)進(jìn)行了模擬,解釋了土衛(wèi)二南極地區(qū)的羽流現(xiàn)象。

卡西尼號(hào)穿越土衛(wèi)二的羽流(圖:NASA)▼

16. 2018 年,Postberg 等人分析了卡西尼號(hào)的宇宙塵埃顆粒分析儀對(duì)土衛(wèi)二羽流的探測(cè)數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)了較復(fù)雜的高分子有機(jī)化合物(分子質(zhì)量超過(guò) 200 原子質(zhì)量單位)。

目前,行星科學(xué)家不僅確定了土衛(wèi)二上具備了構(gòu)成生命六大基本元素 —— 、、、、和磷,而且有適合生命存在的地下液態(tài)水海洋。因此,土衛(wèi)二成為太陽(yáng)系中最可能存在生命的天體之一。

土衛(wèi)二夜空想象圖(圖:wiki)▼

土衛(wèi)二(Enceladus)是土星第六大的衛(wèi)星,距離土星由近及遠(yuǎn)排序位居第 14。

1789 年 8 月,威廉 · 赫歇爾首次通過(guò) 1.2m 的望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的第二顆土星衛(wèi)星,故被稱為土衛(wèi)二,其平均直徑約為 505 公里,相對(duì)較小。

他也是天王星的發(fā)現(xiàn)者(圖:wiki)▼

土衛(wèi)二表面的幾何反照率高達(dá) 138%,且其處于太陽(yáng)系的雪線(雪線也叫凍結(jié)線,在天文學(xué)或行星科學(xué)中,是指距離中心原恒星的特定距離,在那里足夠冷,可以讓會(huì)揮發(fā)的化合物,如水、氨、甲烷、二氧化碳和一氧化碳等凝結(jié)成固體冰粒。在太陽(yáng)系中,雪線位于小行星帶和木星軌道之間。)之外,這使其表面的平均夜間溫度僅為-196℃,較其他土星衛(wèi)星更冷。

另一方面,這樣大小的衛(wèi)星通常無(wú)法在內(nèi)部存儲(chǔ)或產(chǎn)生足夠的熱量,所以它本應(yīng)該是一個(gè)完全被凍結(jié)的固體,但土衛(wèi)二并非如此,在寒冷的冰殼下存在液態(tài)水海洋。

土衛(wèi)二與英國(guó)的大小比較(圖:NASA)▼

土衛(wèi)二液態(tài)水海洋的成因

土衛(wèi)二 (Enceladus) 存在地下液態(tài)水海洋的主要原因是潮汐

加熱。當(dāng)土衛(wèi)二繞土星運(yùn)動(dòng)時(shí),由于繞行軌道具有偏心率,土星的引力會(huì)周期性地將土衛(wèi)二“搓扁捏圓”,導(dǎo)致其內(nèi)部受到“擠壓拉扯”而產(chǎn)生大量且持續(xù)的熱能。

此外,由于土衛(wèi)二形狀不規(guī)則,土星引力會(huì)對(duì)其產(chǎn)生一個(gè)凈力矩而迫使土衛(wèi)二發(fā)生擺動(dòng),這也會(huì)在土衛(wèi)二內(nèi)部產(chǎn)生大量熱,這股熱量主要集中在南極地區(qū)。

科學(xué)家通過(guò)模型模擬了這種引力攝動(dòng),發(fā)現(xiàn)這種擺動(dòng)的對(duì)應(yīng)的表面最大應(yīng)力范圍正好與南極區(qū)域一致。

熱成像圖中,土衛(wèi)二熱量主要集中在南極地區(qū)

(圖:NASA / JPL)▼

為了更好的解釋土衛(wèi)二的產(chǎn)熱機(jī)制。2017 年 11 月,法國(guó)南特大學(xué)的行星科學(xué)家蓋爾?喬布雷特團(tuán)隊(duì)作出一種假設(shè) —— 土衛(wèi)二的巖石核心是具有高孔隙率的,且是松軟的,類(lèi)似海綿狀的核心。它在土星潮汐引力的作用下,會(huì)產(chǎn)生持續(xù)且穩(wěn)定的摩擦熱(潮汐加熱是一個(gè)比較穩(wěn)定的加熱過(guò)程,如果巖石核心的巖漿粘稠,則潮汐引力產(chǎn)生更多的摩擦熱,如果溫度升高,巖石核心的巖漿容易流動(dòng),潮汐引力產(chǎn)生摩擦熱則減少)。

通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬發(fā)現(xiàn),其產(chǎn)生的熱量高達(dá) 10GW,足夠土衛(wèi)二地下海洋保持液態(tài)持續(xù)數(shù)千萬(wàn)年到十億年。

模擬還表明,核心的兩極應(yīng)該對(duì)應(yīng)冰殼比較薄的區(qū)域。這可以很好地解釋土衛(wèi)二南極地區(qū)的活躍性,但無(wú)法解釋為什么北極沒(méi)有類(lèi)似的羽流。

土衛(wèi)二由于潮汐加熱而產(chǎn)生的間歇泉

(圖:NASA / JPL / SSI)▼

噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)的 Dennis Matson 博士等人認(rèn)為,潮汐加熱仍不足以解釋其可以產(chǎn)生液態(tài)水并形成水蒸氣噴射至太空中,產(chǎn)生和維持卡西尼觀測(cè)到的溫度和噴流過(guò)程需要更多的熱。

他們引進(jìn)了一個(gè)新的模型。該模型認(rèn)為,土衛(wèi)二的熱量來(lái)自于放射性衰變放熱和潮汐加熱。通常認(rèn)為放射性衰變會(huì)在太陽(yáng)系形成后不久就損失掉大部分熱量,土衛(wèi)二由于某種原因保留了這些熱量。該模型還預(yù)言了土衛(wèi)二目前仍處于一個(gè)冷卻階段,可能會(huì)持續(xù)十億年左右。

土衛(wèi)二表面的紋理(圖:NASA)▼

土衛(wèi)二發(fā)現(xiàn)磷酸鹽,意味著什么?

磷元素是遺傳物質(zhì) DNA / RNA、儲(chǔ)能化合物三磷酸腺苷 / ATP 和細(xì)胞膜的重要成分之一。而土衛(wèi)二上發(fā)現(xiàn)磷元素,補(bǔ)齊了生命存在所需的最后一塊拼圖。這意味著土衛(wèi)二具備幾乎所有生命存在所必需的條件。

更重要的是,土衛(wèi)二地下液態(tài)水海洋中富含可溶解的磷,這很容易孕育生命。目前,研究估計(jì)土衛(wèi)二液態(tài)水海洋中磷元素的濃度是地球海洋的 100-1000 倍。磷元素在水體中的濃度影響著生物的生長(zhǎng)和繁殖,例如富營(yíng)養(yǎng)化的湖泊會(huì)導(dǎo)致藻類(lèi)大量繁殖。

比如 Landsat 8 拍攝的圣克萊爾湖衛(wèi)星圖像

圖中充滿了大量的綠色藻類(lèi)(圖:NASA)▼

在地球的海洋中,正是由于大量的生物存在,使得海洋中的磷被消耗到一個(gè)很低的濃度;如果土衛(wèi)二上真的存在生命,那么為什么其液態(tài)水海洋中的磷含量如此高?

這或許暗示土衛(wèi)二上根本就沒(méi)有生命,或者生命只能以非常緩慢的速度代謝。

然而,這種磷含量如此高的液態(tài)水海洋對(duì)于任何潛在的外來(lái)生物都是一個(gè)好消息,未來(lái)或許也是人類(lèi)最好的中轉(zhuǎn)站或補(bǔ)給站之一。

土衛(wèi)二的結(jié)構(gòu),如圖所示

(圖:Jihua Hao, et al. 2022)▼

需要注意的是,探測(cè)到的磷酸鹽來(lái)自土星的 E 環(huán),并非直接來(lái)自于土衛(wèi)二的羽流或者土衛(wèi)二地表。盡管基本可以確認(rèn)土衛(wèi)二地下液體水海洋存在磷酸鹽,但我們?nèi)孕璞3种?jǐn)慎。

未來(lái),如果有新的探測(cè)器對(duì)土衛(wèi)二進(jìn)行抵近探測(cè)和采樣研究,不僅可以驗(yàn)證土衛(wèi)二地?zé)釞C(jī)制,而且能確認(rèn)土衛(wèi)二地下液態(tài)水海洋是否存在生命。這對(duì)尋找地外生命具有重要意義。

土衛(wèi)二和地球、月球的大?。▓D:wiki)▼

在太陽(yáng)系中,包括但不限于金星、火星、土衛(wèi)二,土衛(wèi)六和木衛(wèi)二等,都是可能存在地外生命的天體。

在火星上發(fā)現(xiàn)了水,行星科學(xué)家便開(kāi)展了毅力號(hào)火星探測(cè)任務(wù);在金星上發(fā)現(xiàn)了磷化氫分子,行星科學(xué)家便設(shè)計(jì)了達(dá)芬奇號(hào)探測(cè)器(DAVINCI+)、金星-D 任務(wù)和 VERITAS 任務(wù)等。

探索無(wú)止盡(圖:NASA)▼

如今,在土衛(wèi)二上發(fā)現(xiàn)了可被生命吸收的磷酸鹽,而對(duì)應(yīng)的探測(cè)計(jì)劃尚未提上日程。在行星科學(xué)家的“新歡舊愛(ài)”中,唯一不變的就是他們探索和研究地外生命的執(zhí)著。

盡管卡西尼號(hào)退役后,還沒(méi)有后繼者,但“冰月計(jì)劃”JUICE 已于 2023 年 4 月 14 日發(fā)射,其主要任務(wù)目標(biāo)是探測(cè)木星系統(tǒng),包括但不限于木衛(wèi)二、木衛(wèi)三和木衛(wèi)四的地下液態(tài)水海洋。

“冰月計(jì)劃”Juice 號(hào)探測(cè)器的行程計(jì)劃

(圖:EAS)▼

土衛(wèi)二和木衛(wèi)二具有類(lèi)似的環(huán)境,對(duì)木衛(wèi)二的探測(cè),將有助于人類(lèi)了解這些冰衛(wèi)星地下液態(tài)水海洋,以及是否存在地外生命。

參考資料:

  • 1. Villanueva G. L., Hammel H. B., Milam S. N., et al. JWST molecular mapping and characterization of Enceladus’ water plume feeding its torus. Nature Astronomy, 2023

  • 2. Frank P., Yasubito S., Fabian., et al. Detection of phosphates originating from Enceladus’s ocean. Nature, 2023. DOI:10.1038/s41586-023-05987-9.

  • 3. Hao J. H., Christopher R. G., et al. Abundant phosphorus expected for possible life in Enceladus’s ocean. Earth, Atmospheric, and Planetary Sciences. 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

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