神秘的“冰雪衛星”

張唯誠

土衛二的地下熱源加熱了地下水，并把冰屑和其他物質噴射出來

1789年，英國天文學家威廉·赫歇爾發現了土星的一顆衛星，這顆衛星被命名為“恩克拉多斯”，即土衛二。恩克拉多斯是古希臘神話中的巨人，然而土衛二卻并非如此。它的直徑只有500千米左右，約為月球直徑的七分之一、土衛六（土星最大的衛星）直徑的十分之一。在只靠望遠鏡觀測星空的時代，這顆小星球幸運地被發現，但有關它的更多情況，人們就很難再依靠望遠鏡去獲知了。

1980年和1981年，“旅行者1號”和“旅行者2號”探測器先后飛掠土星，在它們臨近土星的時候經過了土衛二，并拍下了土衛二的照片。這兩艘探測器不但確定了土衛二的大小，而且發現土衛二是一個名副其實的“雪球”——其表面覆蓋著冰雪，極為荒涼，偶見溝槽和凹坑。但土衛二并不是一個純粹的“雪球”，它的內部應該有一個硅酸鹽核心。由于冰雪的覆蓋，土衛二顯得非常明亮，是太陽系中最明亮的衛星。

土衛二上覆蓋著冰雪雖已被人們知曉，但諸如“雪層有多厚，是堅硬還是蓬松”這樣的問題，直到最近，人們才有了一點眉目。2023年3月，科學家們宣布，他們通過利用“卡西尼號”土星探測器獲得的數據，對土衛二表面的積雪進行了研究。原來，土衛二的冰層上有一些裂縫和隕石坑，類似的地貌也存在于地球上的一些地方，例如冰島。科學家們認為，在陽光照射表面的情況下，依據陽光投下的陰影，運用幾何學原理，再對比地球上類似的地形，他們可以估算出土衛二凹坑和裂縫的深度，從而間接地推算出土衛二上積雪的情況。憑借著這樣的方法，科學家們仔細研究了土衛二的表面。他們推測，土衛二上的積雪應該很深，多為數百米，最深處可達700米。

那么，土衛二上的積雪是怎么來的？在“卡西尼號”土星探測器飛臨這顆星球后，科學家們才知道了答案。2005年3月和7月，“卡西尼號”對土衛二進行了2次飛掠，每次都盡量靠近土衛二，兩者相距最近時只有168千米。這樣一來，“卡西尼號”得以用它的照相機拍下非常清晰的土衛二地表照片。通過這些照片，科學家們發現土衛二的南極地區有一片虎紋狀的地形，長128千米，寬40千米。虎紋狀地形的裂縫中正在不斷地噴射著間歇泉，那是一些水蒸氣和冰屑似的物質，一直被噴射到430千米以上的高空。這就是說，土衛二的內部不斷有物質逸出，正是這些物質為土衛二構建了一個大氣層。當水蒸氣和冰屑似的物質落下后，土衛二被裝扮成了一個覆蓋著冰雪的明亮天體，成為太陽系中名副其實的“明星”。

土衛二覆蓋著冰雪的表面

土衛二不但體積小，而且還非常冷，表面溫度為零下200℃。這樣冷的星球怎么會出現含有水蒸氣的間歇泉呢？人們不禁聯想到液態水。他們猜想，是液態水被地下的熱源加熱后噴發了出來。

2008年3月，“卡西尼號”從距離土衛二表面50千米的高空以5.15萬千米/時的速度飛掠了間歇泉。這次飛行讓科學家們發現間歇泉的噴射物中水汽密度很大，還夾雜著大量冰粒。除此之外，還有一些有機物，如甲烷和丙烷等。“卡西尼號”還探測到間歇泉噴出物噴射的速度非常快，可以達到2100千米/時。假若沒有地下的液態水，噴出物很難達到這樣的速度。

對于地下的熱源，科學家們認為很有可能是因潮汐力而形成。所謂潮汐力是一種使天體拉伸和變形的力量，是引力源對一個物體產生引力作用時，作用于該物體各個點上不同的引力。研究人員認為，土衛二在環繞土星運行時，很容易周期性地受到周邊天體對其產生的潮汐力的影響，從而使土衛二在環繞土星運行時周期性地發生一定程度的拉伸和變形。導致土衛二表面的冰層發生移動和擠壓，從而形成了虎紋狀的地形。冰層在移動和擠壓的過程中，摩擦碰撞產生了熱量，形成了星球內部的熱源。在熱量的作用下，冰層在融化成液態水的同時也被加熱成水蒸氣，并通過裂縫被釋放出來。與此同時，蒸汽的壓力將地下的冰粒推出，從而形成了間歇泉似的冰噴泉現象。

對于間歇泉中的物質研究結果也令科學家們興奮。例如“卡西尼號”在間歇泉中探測到了鈉鹽的痕跡，這意味著土衛二的地下水體可能含有鹽，類似于地球上的海水。“卡西尼號”上的塵埃探測器還收集了很多由土衛二間歇泉噴出的隱藏在冰晶中的塵埃顆粒。在研究了大量塵埃后，科學家們初步認定，這種類型的塵埃顆粒只能在溫度非常高的環境中形成，比如地球海底深處的熱液噴口附近。這表明，土衛二的地下海洋可能和地球上的情形一樣，也擁有熱液噴口。種種跡象表明，土衛二的地下海洋存在生命的可能性是很大的。

最初人們猜想，如果土衛二的地下海洋中存在生命，也可能只是一些微生物。但假如土衛二的海洋里存在熱液噴口，那么像蠕蟲和貝殼類動物等多細胞的生物體也可能存在。

對于土衛二，科學家們有著很強的探索欲望。人們會在未來繼續發射探測器，對土衛二進行下一階段的研究，尋找土衛二液態水體中的生命也將成為土衛二探索的重要內容。

運行于E 環中的土衛二

至于土衛二上的積雪，也存在著許多有待考證的問題。科學家們發現，如果間歇泉始終以今天這般規模從虎紋狀地形的裂縫里噴出物質的話，要積累到如今這般厚度的雪需要45億年的時間。但45億年是整個太陽系的年齡，所以科學家們推測，歷史上土衛二間歇泉的噴射過程一定非常激烈，噴射的規模也一定比如今大很多，在多年的噴射周期中，規模逐漸減小，最終縮小到如今這般模樣。但這僅僅是科學家們的猜想。

土衛二是太陽系中一個典型的冰凍天體。在太陽系之外，這樣的冰凍天體還有不少。在未來，人類一定會派著陸器登陸這樣的天體。人們知道，雖然冰凍天體的表面被厚厚的冰層或積雪所覆蓋，但具體的情況，例如冰層或積雪的厚度、平整度、堅硬度之類的屬性卻并不明晰，而對這類信息的掌握直接關系到未來的著陸器是否能夠在這種天體上成功著陸。所以，研究土衛二表面的積雪不僅對我們認識類似的冰衛星意義重大，而且對未來執行針對冰衛星的太空任務也很有意義。

值得注意的是，土衛二雖然小，卻對土星系形成了一定的影響。“卡西尼號”發現，這顆不大的星球會噴射流量達到200千克/秒的物質。這些冰晶物質并非只落到了土衛二上，有些也落到了鄰近的土衛一、土衛三、土衛四和土衛五上，還有一些散布在軌道上，形成了土星環的一部分——E環。