解讀歐羅巴

劉聲遠

科學家估計，歐羅巴地下海洋水量是地球海洋的2～3倍。歐羅巴為什么可能存在地下海洋？這樣的海洋如果真的存在，其中可能有類地球生命嗎？

歐羅巴是環(huán)繞木星的四顆伽利略衛(wèi)星中最小的一顆，它在木衛(wèi)中與木星的距離為第六近。它也是太陽系中第六大的衛(wèi)星。它是依據(jù)希臘主神宙斯的情人歐羅巴而命名的。歐羅巴的個頭比月球小一點。歐羅巴有水—冰地殼，還可能有一個鐵—鎳內(nèi)核。歐羅巴的稀薄大氣層主要由氧組成。

潮汐加熱

歐羅巴每3天半多一點就環(huán)繞木星一圈，軌道半徑大約為67.1萬千米。歐羅巴的軌道接近正圓形。與其他伽利略衛(wèi)星一樣，歐羅巴也被木星潮汐鎖定，即它有一個半球持續(xù)面朝木星。因此，歐羅巴表面存在這樣一個位置，從這一點往上看，木星剛好懸掛在這一點的正上方。但研究表明這種潮汐鎖定并非完整，歐羅巴的自轉(zhuǎn)速度快于它環(huán)繞木星的速度，至少在過去一段時間里如此。這暗示歐羅巴內(nèi)部質(zhì)量分布不對稱，地下海洋把含冰地殼與內(nèi)部巖石分隔開。

歐羅巴軌道很小的偏心率，是由其他伽利略衛(wèi)星的引力擾動維持的。這導致上面所說的歐羅巴表面木星正掛地點并非固定，而是隨時間分布于一個不大的范圍內(nèi)。隨著歐羅巴略微靠近木星一點點，木星對它的引力增加，會導致歐羅巴被拉伸一點點。隨著歐羅巴略微離開木星一點點，木星對它的引力降低，又引起歐羅巴反彈回去一點點。這在歐羅巴地下海洋中造成潮汐。歐羅巴的軌道偏心率由歐羅巴與依娥的平均運動共振來持續(xù)推動。這樣，潮汐可撓性揉捏歐羅巴內(nèi)部，給予歐羅巴內(nèi)部一種熱源，由此就可能讓歐羅巴地下海洋保持液態(tài)，同時推動歐羅巴地下地質(zhì)過程。這些運動過程的終極能量源是木星的自轉(zhuǎn)。依娥通過自己在木星上引起的潮汐利用了這一能量，這種能量又通過軌道共振傳遞給歐羅巴和加尼美得。

通過分析歐羅巴獨特的襯砌裂縫，科學家判斷歐羅巴曾經(jīng)可能繞一根傾斜軸自轉(zhuǎn)。如果這一判斷無誤，就能解釋歐羅巴的許多特征。由縱橫交錯的裂縫所組成的歐羅巴表面的巨大網(wǎng)絡，記錄著由歐羅巴地下海洋的大規(guī)模潮汐造成的壓力。歐羅巴的傾斜自轉(zhuǎn)軸，可能影響對歐羅巴冰地殼中記錄著歐羅巴多長歷史的計算，影響對歐羅巴地下海洋潮汐能產(chǎn)生多少熱量的計算，影響對后來被地下海洋能保持液態(tài)多久的計算，影響對歐羅巴地下海洋年齡估計值的計算。

歐羅巴的冰層必須能延展或退縮，才能解釋這些變化。當承壓過大，冰層就會開裂。自轉(zhuǎn)軸的傾斜，表明歐羅巴表面裂縫可能形成于最近，而非像科學家之前認為的那樣久遠，理由是自轉(zhuǎn)軸的方向可能每天都會變化幾度，每好幾個月就完成一次運動周期。不僅潮汐力被認為是保持歐羅巴地下海洋液態(tài)的熱源，而且自轉(zhuǎn)軸傾角意味著更多熱量是由潮汐力產(chǎn)生的。這樣的熱量有助于歐羅巴地下海洋更長久保持液態(tài)。科學家尚未查明這種自轉(zhuǎn)軸傾斜發(fā)生于何時，也不知道傾角有多大。

除了潮汐加熱，歐羅巴內(nèi)部也可能被巖石地幔內(nèi)的放射性材料衰變加熱。但理論模型和實際觀測值是放射性衰變單獨產(chǎn)生熱量的100倍以上，這暗示潮汐加熱在歐羅巴加熱中起了主導作用。

地下海洋

歐羅巴表面溫度在赤道附近為-160℃，在兩極地區(qū)為-220℃，這讓歐羅巴的冰地殼像花崗巖一樣堅硬。首次對歐羅巴地下海洋的探索，來自于對潮汐加熱的理論思考。通過對“旅行者號”和“伽利略號”拍攝的歐羅巴圖像進行分析，“伽利略號”成像團隊科學家認為歐羅巴存在地下海洋。最引人注目的例子是“混沌地形”，這種歐羅巴表面常見特征被一些科學家解讀為地下海洋融穿冰地殼的地方。但這種解釋有爭議性。研究過歐羅巴圖像的大多數(shù)地質(zhì)學家青睞的是“厚冰”模型，按照這一模型，地下海洋很少與冰地殼相互作用。

對歐羅巴表面大型隕擊坑的一項研究結(jié)果，是厚冰模型的最佳證據(jù)。最大隕擊坑被一系列同心環(huán)包圍，環(huán)中看來充填的是相對平坦和新鮮的冰?；谶@一證據(jù)和對歐羅巴潮汐生熱量的計算，科學家估算出歐羅巴的冰地殼厚度約為10～30千米，地下海洋深度約為100千米，海洋水量是地球海洋的2～3倍。

“伽利略號”發(fā)現(xiàn)歐羅巴有弱磁矩，它由木星磁場的不同部位誘導。這一磁矩在歐羅巴磁赤道產(chǎn)生的場強約為加尼美得場強的1/6，約為卡里斯托場強的6倍。感應力矩的存在需要歐羅巴內(nèi)部有一層高導電性材料。最可能的解釋，就是歐羅巴地下存在大規(guī)模鹽水海洋。

自從“旅行者號”在1979年經(jīng)過歐羅巴以來，科學家一直在研究歐羅巴表面紅褐色物質(zhì)的組成，這些物質(zhì)覆蓋著裂縫及其他地質(zhì)學上的年輕地貌。光譜證據(jù)表明，歐羅巴表面的暗紅色條紋地帶可能富含像硫酸鎂之類的鹽，這些鹽由歐羅巴內(nèi)部的水蒸發(fā)而沉積形成。硫酸水合物是另一種可能的解釋，因為光譜觀測發(fā)現(xiàn)了疑似硫酸水合物。無論怎樣，由于這些物質(zhì)在純凈狀態(tài)下為無色或白色，因此一定存在其他一些材料（例如硫化合物）才能解釋前述的紅褐色。

水汽柱

“哈勃太空望遠鏡”在2012年拍攝的一幅歐羅巴圖像，被認為顯示了從歐羅巴南極附近噴發(fā)的水汽柱。這幅圖像表明，這根水汽柱可能高達200千米，也就是喜馬拉雅山高度的20倍以上?？茖W家指出，如果歐羅巴上真的有水汽柱噴發(fā)，也只是零星事件，最可能發(fā)生于歐羅巴距離木星最遠時，這與潮汐力模型的預測是吻合的。2016年發(fā)布的“哈勃太空望遠鏡”圖像，為歐羅巴表面水汽柱提供了更多資料。

歐羅巴潮汐力強度是月球?qū)Φ厍虻某毕饔脧姸鹊拇蠹s1000倍。目前，太陽系中顯示出水汽柱存在的唯一一顆其他衛(wèi)星是恩刻拉多斯（土衛(wèi)二）。科學家估計，歐羅巴水汽柱噴射的質(zhì)量大約是每秒7000千克，而恩刻拉多斯只有大約每秒200千克。如果這些估計值被證實，那么通過穿越水汽柱提取樣本，就有可能對歐羅巴地下海洋進行有效分析，而無需鉆穿歐羅巴的冰地殼去取樣。endprint

大氣層

1995年，科學家對美國“戈達德高像素光譜儀”和“哈勃太空望遠鏡”所拍攝圖像的分析表明，歐羅巴擁有主要由分子氧組成的稀薄大氣層。與地球大氣壓相比，歐羅巴的大氣壓幾乎可忽略不計，但歐羅巴大氣層的存在是無疑的。1997年，“伽利略號”證實歐羅巴周圍存在稀薄的電離層（由帶電粒子組成的上大氣層），它是由太陽輻射和來自木星磁層的高能粒子創(chuàng)生的，這也為歐羅巴存在大氣層提供了有力證據(jù)。

與地球大氣層中的氧不同，歐羅巴大氣層中的氧不是生物學起源的。緊貼歐羅巴表面的稀薄大氣層通過輻解（分子的輻射離解）形成。太陽紫外輻射和來自木星磁層的帶電粒子（離子和電子）與歐羅巴的冰地殼撞擊，把水分解成氧和氫。這些組分被冰地殼吸收。但同樣的輻射還造成這些組分從歐羅巴表面的碰撞性拋射，這兩個過程之間的平衡就形成并維持了歐羅巴大氣層。分子氧是歐羅巴大氣層最稠密的成分，原因是分子氧的長壽命。在回到歐羅巴表面后，分子氧不會像水或過氧化氫分子那樣被“粘”住，而是會重回大氣層。分子氫則不會墜落到歐羅巴表面，因為它足夠輕，能逃離歐羅巴的表面引力。

對歐羅巴表面進行的觀測發(fā)現(xiàn)，由輻解產(chǎn)生的一些分子氧不會從歐羅巴表面被拋射出去。因為歐羅巴表面可能與地下海洋有互動，這些分子氧就可能進入歐羅巴地下海洋，從而可能協(xié)助生物學過程。有科學家估計，輻解產(chǎn)生的分子氧最終可能造成歐羅巴地下海洋的氧濃度與地球深海的氧濃度相當。

逃離歐羅巴引力的分子氫，再加上氧原子和分子氧，在歐羅巴環(huán)繞木星的軌道附近形成了一道氣體環(huán)?！翱ㄎ髂崽枴焙汀百だ蕴枴倍继綔y到了這道“中性云”，這些云中的原子和分子數(shù)量比環(huán)繞更靠近木星的依娥的中性云多。根據(jù)理論模型預測，歐羅巴氣體環(huán)中的幾乎所有原子或分子最終都會被電離，因此為木星的磁層等離子體提供一種來源。

可居住性

地球大西洋底部有被稱為黑煙囪的地熱噴口。在地熱驅(qū)使下，黑煙囪和其他類型的地熱噴口產(chǎn)生一種化學失衡，由此為生命提供能量。

歐羅巴被認為是太陽系中除地球外可居住性最高的地方之一?？茖W家認為，歐羅巴地下海洋中有可能存在生命，尤其是在與地球深海地熱噴口相似的環(huán)境中。雖然歐羅巴缺乏火山地熱活動，2016年美國宇航局的一項研究卻發(fā)現(xiàn)，與地球相仿的氫和氧含量可能通過與蛇紋石化作用和冰衍生氧化劑有關的過程產(chǎn)生，而這些過程不涉及火山活動?？茖W家2015年宣布，來自地下海洋的鹽有可能覆蓋歐羅巴表面一些地貌。這暗示地下海洋與海底之間有互動。這在確定歐羅巴是否可居住方面可能很重要。雖然迄今為止并無證據(jù)表明歐羅巴存在生命，但因為歐羅巴可能有海水與地幔接觸，這為生命創(chuàng)生提供了條件，所以科學家呼吁發(fā)射探測器去尋找歐羅巴生命。

由潮汐可撓性提供的能量，在歐羅巴內(nèi)部推動活躍的地質(zhì)過程。相似情況也發(fā)生在依娥上。但來自潮汐可撓性的能量，絕無可能在歐羅巴地下海洋中支撐像地球海洋中那么多樣的生態(tài)系統(tǒng)，畢竟，地球海洋生態(tài)系統(tǒng)與地表相接，以光合作用為基礎。歐羅巴生命可能聚集在海底地熱噴口周圍，或者集中在海底下（地球上有這樣的生物）。另外，歐羅巴生命也可能存在于冰地殼的下表面，就像地球兩極地區(qū)的藻類和細菌，或者自由漂浮在歐羅巴的海洋上。但如果歐羅巴的海水溫度太低，類似地球的生物學過程就可能發(fā)生不了。如果歐羅巴海洋的鹽度太高，那么只有喜鹽生物能在這樣的環(huán)境中生存。

如果證實歐羅巴的冰地殼中包裹著與地下海洋不同的湖泊，那么這些湖泊將成為另一種潛在的可居住環(huán)境。有證據(jù)顯示，歐羅巴表面大部分地方都存在豐富的過氧化氫。因為過氧化氫會分解產(chǎn)生氧和水，所以一些科學家認為這能為簡單生命形式提供能量。同時，在歐羅巴的冰地殼中也經(jīng)常探測到在地球上與有機物相關的黏土樣礦物質(zhì)頁硅酸鹽。這些礦物質(zhì)的存在有可能是小行星或彗星撞擊歐羅巴的結(jié)果。不能排除這樣一種可能性：地球生命被碰撞地球的小行星等天體炸進太空，最終飛抵木衛(wèi)。

探索歷史

1610年，在望遠鏡問世后不久，意大利天文學家伽利略發(fā)現(xiàn)了歐羅巴和其他3顆木衛(wèi)。但由于歐羅巴個頭小，對它的詳盡觀測直到太空時代才開始——飛行器多次飛近過這顆木衛(wèi)。

1973和1974年，美國宇航局“先鋒10號”和“先鋒11號”飛船首次探測歐羅巴，但這兩項任務的拍攝焦點是木星。1979年，間隔幾個月發(fā)射的美國宇航局“旅行者1號”和“旅行者2號”飛船飛掠木星系統(tǒng)，順道對歐羅巴進行了拍攝。雖然這些早期照片是在與歐羅巴有一定距離處拍攝的，但它們依然揭示了歐羅巴的冰殼表面。當時許多天文學家相信，所有衛(wèi)星都與地球的衛(wèi)星月球相似，幾乎沒有大氣層。而歐羅巴這顆木衛(wèi)的情況，卻讓他們大吃一驚。

這些照片顯示，歐羅巴表面的一些暗色條紋地帶有對邊，并且這些條紋之間像積木一樣完美嚙合。這些條紋其實是裂縫，看來有暗色含冰物質(zhì)流進這些裂縫，這表明歐羅巴的表面在過去一段時間里曾經(jīng)很活躍?！奥眯姓咛枴迸臄z的圖像顯示，歐羅巴表面的隕擊坑數(shù)量不多。本來，在幾十億年（太陽系天體形成的時間在數(shù)十億年前）的時間里，天體表面連續(xù)不斷被隕星轟炸，直到全身傷痕累累。而歐羅巴表面隕擊坑少，就說明這個表面相對年輕。這隱含的意思是：諸如含冰火山流或冰地殼在自身重量下安定下來之類的現(xiàn)象，導致隕擊坑被抹去。

美國宇航局和歐空局聯(lián)合實施的“伽利略號”任務，在1995～2003年對木星進行了多次飛近。該任務的最大成就之一，就是發(fā)現(xiàn)了歐羅巴地下有含鹽液態(tài)海洋的廣泛證據(jù)?！百だ蕴枴憋w船的測量，表明了木星磁場在歐羅巴周圍的空間怎樣被擾動。這一測量強烈暗示，在歐羅巴表面下某種很深的導電液體層作用下，歐羅巴內(nèi)部正在產(chǎn)生一種特殊類型的磁場?；跉W羅巴的含冰組成，科學家認為產(chǎn)生這種磁場特征的最可能物質(zhì)，是一個全球性的含鹽海洋?？茖W家期待，未來的歐羅巴探索之旅能夠證實歐羅巴地下海洋的存在，并且開始探索歐羅巴的可居住性，即歐羅巴上是否存在像地球生命一樣的生命，哪怕只是微生物生命。

2012年，來自“哈勃太空望遠鏡”的觀測結(jié)果表明，歐羅巴南半球有水汽柱噴薄而出。在2014和2016年的進一步觀測中發(fā)現(xiàn)了更多水汽柱，其中兩根水汽柱噴發(fā)自“伽利略號”當年發(fā)現(xiàn)的那個噴口。endprint