土衛(wèi)二海洋或富含磷元素，地外生命探索迎來新飛躍？

文/蘭順正

▲ 卡西尼號探測器拍攝的土衛(wèi)二

2023 年6 月，英國《自然》雜志發(fā)布的報告顯示，有科研團隊研究分析了卡西尼號探測器收集的土星衛(wèi)星土衛(wèi)二附近E 環(huán)中粒子的化學成分，發(fā)現(xiàn)E 環(huán)中的冰粒富含磷酸鈉，由于這些冰粒很可能是從土衛(wèi)二內部海洋噴射到太空中的，所以這預示了土衛(wèi)二內部海洋可能存在高濃度的磷元素，這是否意味著人類在太陽系中尋找地外生命的工作迎來了“巨大的飛躍”？

內藏液態(tài)海洋的“冰球”

從古至今，外星生命的話題從來沒有停止過，而土衛(wèi)二則是近年來科學界的關注對象之一。土衛(wèi)二是土星的第六大衛(wèi)星，也是太陽系中最亮的衛(wèi)星，在1787 年被威廉·赫歇爾利用自己制作的1.2 米望遠鏡發(fā)現(xiàn)。土衛(wèi)二運行在土星E 環(huán)最稠密的部分，平均直徑為505 千米，只有月球直徑的七分之一，在平均距離土星23.8萬千米的橢圓形軌道上運行，軌道面位于土星的公轉軌道平面內，繞行周期為1.37 天。由于固態(tài)冰在土衛(wèi)二上大面積存在，使其成為了太陽系反射率最大的天體，幾乎能反射百分之百的陽光，因此它也是一顆寒冷的星球，其地表的夜間溫度僅為-198℃，較其他土星衛(wèi)星更冷。同時，一般情況下這樣大小的衛(wèi)星通常無法在內部存儲或產生足夠的熱量，所以土衛(wèi)二之前被認為應該是一個完全被凍結的固體，但是后來的觀測與研究表明事實并非如此。

1981 年8 月，旅行者2 號探測器在人類歷史上首次近距離觀測了土衛(wèi)二，而目前人類對于土衛(wèi)二的了解則主要來自于卡西尼-惠更斯號土星探測器。該探測器是美國宇航局、歐空局和意大利宇航局的一個合作項目，于1997 年10 月15 日發(fā)射升空，2004 年7 月抵達土星軌道，同年12月25 日“卡西尼號”和“惠更斯號”分離。次年1 月14 日，“惠更斯號”成功著陸土衛(wèi)六并傳回數(shù)據(jù)；而“卡西尼號”則在軌運行了13 年，傳回了大量數(shù)據(jù)。

2010 年2 月英國《每日電訊報》報道，“卡西尼號”在飛越土衛(wèi)二時探測到了帶負電的水分子，這是后者地下有水的明顯跡象。化學研究揭示，水分子是由兩個氫原子和一個氧原子結合而成的，共有10 個帶正電的質子、10 個帶負電的電子、10 個不帶電的中子。在正常情況下，水分子中正負電量相等。當水分子遭遇摩擦、受熱和化學變化等原因而失去一部分電子時，就帶正電，稱為正離子或陽離子；獲得額外電子時，就帶負電，稱為負離子或陰離子。水分子失去或獲得電子后所形成的帶電粒子統(tǒng)稱為離子。在地球上，這種短期存在的離子處于運動狀態(tài)的液態(tài)水中，例如瀑布或者發(fā)生撞擊的海浪中。而“卡西尼號”既然在土衛(wèi)二周圍捕捉到了水分子的負離子，那就證明該天體上存有液態(tài)水。

▲“卡西尼號”于2015 年拍攝的土衛(wèi)二表面照片

▲ 卡西尼-惠更斯號土星探測器

▲“卡西尼”號拍攝的土衛(wèi)二南極的“虎斑”地形

之后，天文學家又利用“卡西尼號”2010—2012 年期間3 次近距離觀測土衛(wèi)二獲得的數(shù)據(jù)，分析確定了土衛(wèi)二的引力場。研究發(fā)現(xiàn)，土衛(wèi)二的引力場存在“引人注目的不對稱性”，其中南極的引力較弱，但又大于根據(jù)其地形計算得出的數(shù)值。他們認為，“起到彌補性作用”的是南極表面下的液態(tài)水，因為水的密度大于冰，形成的引力也大于冰。進一步的分析認為，該“地下海”位于土衛(wèi)二南極30～40 千米厚的表面冰層之下，其深度約為10 千米，并延伸至南緯50 度左右。

有觀點認為，土衛(wèi)二存在地下液態(tài)水海洋的主要原因是潮汐加熱。當土衛(wèi)二繞土星運動時，由于繞行軌道具有偏心率，土星的引力會周期性地將土衛(wèi)二“搓扁捏圓”，導致其內部受到“擠壓拉扯”而產生大量且持續(xù)的熱能。此外，由于土衛(wèi)二形狀不規(guī)則，土星引力會對其產生一個凈力矩而迫使土衛(wèi)二發(fā)生擺動，這也會在土衛(wèi)二內部產生大量熱，這股熱量主要集中在南極地區(qū)。科學家通過模型模擬這種引力攝動，發(fā)現(xiàn)這種擺動對應的表面最大應力范圍正好與南極區(qū)域一致。

2017 年11 月，法國南特大學的行星科學家蓋爾·喬布雷特團隊作出一種假設——土衛(wèi)二的巖石核心是具有高孔隙率的，且是松軟的，類似海綿狀的核心。它在土星潮汐引力的作用下，會產生持續(xù)且穩(wěn)定的摩擦熱（潮汐加熱是一個比較穩(wěn)定的加熱過程，如果巖石核心的巖漿粘稠，則潮汐引力產生更多的摩擦熱，如果溫度升高，巖石核心的巖漿容易流動，潮汐引力產生摩擦熱則減少）。而之后噴氣推進實驗室的丹尼斯·馬特森博士等人引進了一個新的模型，該模型認為除了潮汐加熱外，土衛(wèi)二的熱量還來自于放射性衰變放熱。通常認為放射性衰變會在太陽系形成后不久就損失掉大部分熱量，但土衛(wèi)二由于某種原因保留了這些熱量。該模型還預言了土衛(wèi)二目前仍處于一個冷卻階段，可能會持續(xù)10 億年左右。

生命要素齊聚帶來新希望

鑒于土衛(wèi)二的特殊環(huán)境，一直就有科學家假設其上存在著生命，但“七巧板”卻始終少了一塊。在此前的研究中，科學家已經在土衛(wèi)二海水中發(fā)現(xiàn)了豐富的碳、氫、氧、氮和少量的硫，以及多種多樣的有機物質，但對于生命六大基本構成元素之一的磷仍然沒有相關報道。據(jù)悉，磷組成了所有生命的“能量貨幣”，是創(chuàng)造DNA和RNA、生物膜、人和動物的骨骼與牙齒必不可少的材料，磷的匱乏被認為是限制生命起源和現(xiàn)代生物規(guī)模的關鍵。

▲ 土衛(wèi)二南極冰層下存在“地下海”示意圖

在2022 年10 月，中國科學技術大學地球和空間科學學院研究員郝記華與美國西南研究院研究員克里斯托弗·格萊因等學者合作，構建理論模型模擬土衛(wèi)二海水化學，首次揭示了在土衛(wèi)二海水中可能含有豐富的磷元素，供給可能存在的地外生命，該相關研究成果發(fā)表于美國《國家科學院院刊》。而此次《自然》雜志發(fā)表的研究結果進一步鞏固了這一論斷。由于內部的火山活動，土衛(wèi)二南極地帶不時會噴發(fā)出氣流，約500 千米高，氣流的主要成分包括細碎的冰屑、塵粒以及水蒸汽等，其中冰屑等物質還是土星E 環(huán)主要成份來源之一。因為在E 環(huán)中的冰粒中發(fā)現(xiàn)了磷酸鈉，相關科研團隊估計土衛(wèi)二地下海洋可能富含磷元素，濃度約為每千克1～20毫摩爾，至少是地球海洋磷濃度的100 倍。而隨著生命六大基本構成元素的齊聚，無疑會將土衛(wèi)二生命探索再次推向一個新高度，對于人類未來的太空移民也具有重大的意義。

不過應當看到的是，土衛(wèi)二地下海洋富含磷元素這一消息或許是把“雙刃劍”。因為豐富的磷是有利于孕育生命，但考慮到在地球的海洋中，正是由于大量的生物存在使得海洋中的磷被消耗到一個很低的濃度，所以土衛(wèi)二液態(tài)水海洋中的磷含量如此之高反而可能在暗示土衛(wèi)二上根本就沒有生命或生命只能以非常緩慢的速度代謝。同時，此次探測到的磷酸鹽來自土星的E 環(huán)，并非直接來自于土衛(wèi)二海洋的羽流噴射或者土衛(wèi)二地表，因此本著科學的態(tài)度，人類對此仍需保持謹慎。

▲土衛(wèi)二結構示意圖

▲ 土衛(wèi)二海洋的羽流噴射示意圖