揭秘土星衛星神秘面紗:土衛六發現湖泊群

  在茫茫夜空中,土星很容易就可以被肉眼看到。雖然它不如木星那麼明亮,但是由於它不會像恆星那樣“閃爍”,所以很容易被認出是顆行星。它周邊奇異的光環以及它的衛星通過一架小型業餘天文望遠鏡也可以觀察得到。目前,人們在土星衛星上已探測出有水的存在,甚至於在土衛六上發現了湖泊群。

  土星是距離太陽第六遠的行星,也是僅次於它的鄰居木星的第二大行星。土星,即Saturn,在羅馬神話中是農神的名稱,在英語中則是星期六(Saturday)的詞根。土星發現於史前,最早是由伽利略在1610年第一次通過望遠鏡觀察到的,並記錄下了它的奇怪運行軌跡,直到1659年惠更斯才正確地推斷出光環的幾何形狀,光環中的微粒可能主要是由水凝成的冰組成,但它們也可能是由冰裹住外層的岩石狀微粒。隨後,“先鋒”11號在1979年首先去過土星周圍,同年又被“旅行家”1號和2號訪問,現在 “卡西尼”飛行器也於2004年到達土星,對土星衛星進行探測。

  “卡西尼”號飛船探測。

  土衛2。

  土衛6。

  土衛6下雨。

  土星是太陽系中孩子最多的星球,已有18顆被命名的衛星,還有一些小衛星在發現中。

  冰層下的小世界——土衛二尋水記

  土衛二(Enceladus),又稱“恩克拉多斯”,是1789年由威廉·赫歇耳(Wilhelm Herschel)發現的,在20世紀80年代初“旅行者”飛船(Voyager)飛掠它之前,人們對它知之甚少。“旅行者”飛船發現該衛星雖然體積不大,但“麻雀雖小,五臟俱全”,它有著豐富的地形,而且每種地形估計年齡都不過1億年,這說明這顆衛星是十分活躍的,可能有一些“水火山”存在,這就具備產生生命的三大條件:地下熱源、有機物和液態水。

  ◎ 讓人無限遐想的間歇泉

  根據以前的探測圖像推測,土衛二的表面被平整的“冰面”覆蓋,所以“卡西尼”計劃的科學家們希望看到這顆衛星上面最近的活動以及也許有冰山作用的跡象。科學家的努力得到了回報:“卡西尼”果然有驚人發現。

  2005年,“卡西尼”飛船4次近距離飛掠土衛二。“卡西尼”攜帶的照相機拍攝到了一些圖片,上面顯示該星球上似乎排列著褶皺山嶺和碎冰平原,上面有條紋狀的深綠色有機物質,並在南極地區拍攝到了冰屑和塵粒噴發的奇景。圖像顯示,土衛二南極地區有多處噴發氣流,在陽光背景下可見的噴發就像巨大的羽毛,長達約500千米,居然擊中了在土衛二上空急速行駛的“卡西尼”太空船,而土衛二的直徑也不過這麼大。據飛船搭載的儀器分析,氣流的主要成分包括細碎的冰屑、塵粒以及水蒸氣等。

  卡西尼任務科學家喬納森·盧尼勒(Jonathan Lunine)表示,自從20世紀80年代初“旅行者”號飛越土星以來,恩克拉多斯就是太陽系中已知的最亮的衛星,因為它上面覆蓋有新的冰。然而,從土衛二南極噴射的間歇泉多於赤道上的,這可能是來自土星的最強大引力拖拉導致的。由此形成了虎紋狀的噴射口大約有128千米長,這“非常驚人”,盧尼勒說,“這很具有幾分奇異特徵。”

  2005年12月,飛越土衛二的飛船每8分鐘就看到噴射一次間歇泉,噴射出來的東西不只是水,還混合有生命物質,包括甲烷、丙烷、乙炔和二氧化碳等有機化合物,紛紛進入了土星外層的“E”環中。“卡西尼”號太空船攜帶的分光計對其冰羽毛進行了化學分析,發現間歇泉上冒著乙炔和丙烷。盧尼勒說,“我認為我們有一天會發現恩克拉多斯地表下的液態水。”

  這次飛越顯示,土衛二的南極地區地質活動也很活躍,而且被冰山爆發和新鮮的降雪重新塑造了表面,潮汐力量扭曲了表面的冰層,形成了長長的山脊和破裂帶。這給了科學家們無限的猜測:土衛二南極以紅外線輻射的形式閃閃發光,說明在“條紋”的表面下有地下熱源,而那些條紋是被黑色的有機物污染出的平行線。

  科學家推測噴發是由潛伏在冰層表面下淺水造成的。“卡西尼”圖像分析首席科學家卡羅琳·波爾科說,那些水汽噴發可能已經持續至少幾千年了。這也表明地下可能存在持續的熱源。儘管照片沒有拍到液態水,但有的科學家認為,照片上的冰屑和水蒸氣來自土衛二地表較淺處的“地下水庫”,這已經足夠了。

  ◎ 間歇泉是否就意味著液態水的存在?

  當然,也有科學家對土衛二存在液態水的推測提出短線疑問。就如在《科學》雜誌中刊載了一種有分歧的觀點。認為間歇泉的噴發現象只是短暫的地質構造變化引起的,比如地震引起的,並恰巧被路過的“卡西尼”“看”到了,但這不能作為土衛二存在液態水的證據。文章主要作者、伊利諾大學爾巴那香檳分校行星科學家蘇珊?基弗說:“該文並未說明現在土衛二上的其他地方是否還有液態水。”她主要是研究地球及木星和海王星的衛星上的間歇泉,“我們不想去駁斥液態水的存在,那並不需要液態水。”

  也有科學家指出,土衛二內部的熱源也仍是一個很大的謎。要生產出這些羽狀噴發物,水需要被燒開,土衛二距離地球和太陽十分遙遠,在這個寒冷的星球這似乎不太可能,它的供暖機制也很難明瞭,至今只能說仍是個謎。

  “卡西尼”號發現的間歇泉由水蒸汽和冰晶組成,含有大量的二氧化碳和少量的甲烷。 “卡西尼”號專家、首先提出土衛二上有地下水的卡羅林?帕科說:“新的理論聽起來似是而非,它並沒有證明其自身或者說明地下水流向的可能性。”帕科還說:“有理由相信土衛二的溫度足以維持液態水。”

  2008年3月,"卡西尼"將再次飛到距土衛二上空大約350千米處觀測,屆時,土衛二的神秘面紗將可能被完全揭開,也將有更多的太空奧秘被逐一解答。

  ◎ 揭開土衛二的神秘面紗

  “卡西尼”還發現虎紋處的溫度高於土衛二表面的溫度,盧尼勒說。有關土衛二引發噴泉的熱量來源有多種解釋:

  ○ 雙層擠壓。一湖接近冰凍的液態水,受到上面的冰和下面岩石的雙層擠壓,導致噴射間歇泉;

  ○ 放射性元素衰變所致。放射性元素伴隨誕生700萬年的土衛二不斷衰變,釋放熱量,熔化了土衛二的內核,在其冰下產生了一個海洋;

  ○ 潮汐摩擦力所致。圍繞土星運轉的土衛二的橢圓形軌道導致產生的重力潮汐使虎紋邊緣彼此磨擦生熱,將冰熔化,噴射到太空的;

  ○ 冰格狀包合物截留所致。冰羽毛上看到的氣體可能被冰格狀包合物所截留,當它轉移時,冰格狀包合物就會經受太空真空,讓這些氣體具備強大力量,逃離截留它們的“牢籠”。

  研究人員表示,所有理論都有一定道理,但沒有一個能完全解釋引發間歇泉所需的熱量來源。卡西尼發現一對小土星衛星——土衛三(Tethys)和土衛四(Dione)上有一些火山作用的跡象,但這一情況與土衛二不匹配。

  2008年,卡西尼將最後一圈靠近土衛二,但科學家都擔心來自間歇泉的冰會損壞“卡西尼”太空船。科學家希望2008年的這次飛越能夠精確測量來自土衛二的重力,以確定其冰下是不是有海洋。若經證實,土衛二便具備了產生生命的三大條件:持續的熱源、有機物和液態水。

  土衛六湖泊群有待進一步證實

  土衛六,又稱泰坦,是土星衛星中最大的一個,它的體積比水星和冥王星都大,於1655年被荷蘭天文學家克裡斯蒂安·惠更斯(christiaan Huygens)發現,最近,鑒於“卡西尼”號的探測,科學家預測土衛六上面有巨大湖泊群存在。

  像遠古時代的地球一樣充滿生機

  “惠更斯”號探測器成功登陸土衛六,在其下落到距離土衛六表面150千米處時,拍攝到了土衛六的地貌圖片。科學家驚奇地發現土衛六的某些環境與遠古時代的地球非常相似,並非死氣沉沉。

  歐洲空間局於2005年1月正式宣佈了“惠更斯”探測器在土衛六表面著陸的消息。在下降過程中,探測器還對土衛六的大氣進行了分析。最令科學家們感到意外的是,土衛六的大氣構成並不均勻:其上層富含甲烷,而下層則以氮氣為主。專家們表示,土衛六是太陽系中惟一一顆擁有濃密大氣的衛星。

  土衛六表面的平均溫度只有大約-290°C。其大氣很明顯地分為了數層並且在各層的交界處還存在著持續不斷的閃電。據專家們介紹,土衛六目前的狀況與遠古時代生命誕生前的地球非常相似。

  科學家們通過分析研究惠更斯號傳回的土衛六表面照片得出初步結論:土衛六表面有甲烷構成的河流和冰構成的岩石。美國宇航局噴氣推進實驗室“卡西尼”號圖片分析小組成員托雷斯-約翰遜表示,這證明土衛六表面存在,或曾經存在過液態物質。托雷斯·約翰遜表示:“我們原想我們看到的土衛六表面情景會像我們從科幻片中看到的那樣奇怪,但是‘惠更斯號’發回的照片卻讓我們大吃一驚——土衛六表面不僅有隕石撞擊遺留下來的坑洞,有不甚宏偉的山峰,也有此起彼伏的高地,更為重要的是土衛六看起來是一個充滿生機的地方,就像遠古時期的地球一樣”。約翰遜同時還稱:“從照片上類似的溝壑的地形可以看出,土衛六表面曾經遭受過液體物質的沖刷和侵蝕。我們在土衛六上發現的情景與火星上發現的完全不同--火星是一片純粹的不毛之地,而土衛六則感覺是一片生機盎然的景象”。約翰遜還指出,土衛六表面的隆起的高地很可能完全是由冰塊構成的,而照片中發暗的地區則很可能是有液態物質覆蓋的濕潤地區。

  他稱:“我們並不能確定我們現在談論液體是否合適,但照片上的景象不得不讓我們聯想的液態物質。土衛六表面的氣溫可達到華氏300度左右(零下184攝氏度),因此其表面有液體出現的唯一可能就是土衛六大氣的冷卻。由此推斷,這些液體很可能是液態的甲烷和乙烷”。

  從“惠更斯號”發回的另一張照片來看,土衛六表面還覆蓋的類似於岩石的物質,約翰遜推斷:“這些岩石很可能全是冰。考慮到土衛六表面溫度因素,只有真正的水冰才能形成這種形狀的冰巖。因為地質學家們已經非常肯定地表示說這些岩石經歷過液體物質的侵蝕,從這些岩石圓潤的邊緣上不難看出,它們非常類似於地球河床周圍最容易看到的鵝卵石。我想,我們大多數同行們都會同意我的這一看法”。

  美國宇航局科學部門主管阿方索·迪亞斯說:“我認為,我們所有人在我們揭開太陽系神秘面紗時都會不斷為之驚歎。它(照片)推翻了我們先前的成見,這些星球表面並非死氣沉沉。”

  ◎ “卡西尼”發現湖泊群

  在“卡西尼”號之前,許多探測器在它身上都有所發現。1980年,美國國家航空航天局“旅行者”1號探測器首次“看到”土衛六上有橙色的、不透光的大氣層。但這層大氣太厚了,“看不到”其表面。泰坦的大氣成分據猜測類似早期的地球,以氮氣為主,可能飽含甲烷和其他有機物。其後的“哈勃”太空望遠鏡曾探測到土衛六上有的地方比周圍亮。美國科學家萊比頓說:“我們推測亮區可能是大陸,暗區可能是海洋。但泰坦表面變化多端,有非常多的謎在等著我們破解!”而且,惠更斯項目主任讓·皮埃爾·萊比頓(Jean-Pierre Lebreton)曾堅信:“惠更斯”探測器(Huygens)可能會落到汪洋裡。他推測,隕石或彗星撞擊可能會使土衛六上的冰融化成水,並保持液態上千年。

  為了進一步探測,2005年1月14日,“惠更斯”著陸器脫離“卡西尼”飛船,成功著陸到神秘的土衛六。然而,在它著陸的地點附近沒有發現液態水,更沒有像萊比頓堅信的“汪洋”,甚至連液態甲烷也沒有……能看到的泰坦表面如一片橙色戈壁,非常乾燥。但是,在“惠更斯”拍攝的照片中,有科學家發現一些類似“川谷”和“河流”的痕跡。而且在“惠更斯”降落到“泰坦”後的幾個小時裡,它發現了神秘的低頻無線電波。該無線電信號在特窄範圍的特低頻率下,大約36赫茲。法國科學家弗南多·希莫斯(Fernando Simoes)領導下的科學小組一直研究此信號的來源。他們稱,這種信號可能是地下液態水海洋的一種信號。這不能不說是一大收穫。

  “卡西尼”號探測器近距離飛越土衛六時又有了一個重大發現——其北極存在著一個巨大的甲烷等碳氫化合物形成的湖群,其中有些湖還流動著液態物質,這是人類首次在土衛六表面發現這麼大面積的碳氫化合物形成的湖群。湖群包括12個大小不等的湖,寬度在1O~1O0千米之間。

  當時“卡西尼”號距離土衛六表面約950千米,從圖像看來,它們彷彿是一塊塊“黑斑”。有些互相之間有河道連通,有些則有支流匯人其中;有些已經乾涸,而有一些流動著液態物質,很可能是甲烷和乙烷的混合物。科學家認為,液態甲烷在太陽的照射下變為氣態,並進入其大氣層,逐漸消散。地表的甲烷“水庫”又會及時補充上來,就像地球上的水循環一樣。然而科學家還是無法解釋土衛六表面的甲烷是怎麼生成的。

  在此之前,“卡西尼”號在土衛六的南極地帶也曾觀測到一處疑似湖泊的陰影區域,長約234千米,寬度近73千米,其太小相當於美國和加拿大邊界處的安大略湖,從照片上看,它像是一個邊界平滑蜿蜒的暗斑,周圍是淺色的土衛六雲層。美國科學家推測,這可能是一個甲烷等碳氫化合物形成的湖泊。“這一特徵在迄今為止我們對土衛六的探測中還是首次發現。”“卡西尼”號土星探測項目科學家伊麗莎白·特爾說,“它的邊緣令人聯想起地球上因水流侵蝕和沉積而形成的湖岸線。”

  在地球上,閃電可產生類似的低頻無線電信號。之後,此無線電波在地面和上層大氣之間來回反彈。此回波效應加大一些頻率的同時,卻讓其它頻率消亡了,結果導致出現有精確頻率的信號,類似於在土衛六上發現的情況。土衛六的外殼被認為主要由水冰組成,它們不是無線電波的好的反射體。因此,如果像在地球上一樣,其信號也是來自回波效應的話,那表明土衛六地下有更好的反射物質。“我們不需要地下海洋,但需要地下反射體,”希莫斯說,“如果有地下海洋存在,固液界面將是不錯的反射體。”

  但科學家認為,即使土衛六上的確存在湖泊,那湖中流動的也不會是水,而更可能是液態甲烷。

  疑問依然存在

  然而,也有科學家質疑此無線電波能穿透50千米的距離,從地下海洋反射出來而產生這種信號。同時,科學家們還意識到了一個非常重要的“漏洞”——想像中的河流湖泊是如何反射可見光和紅外光的。

  究其原由,主要有以下幾種可能:

  ○ 土衛六表面可能存在著一種由冰和氨的化合物結成的厚密的“外殼”。對於各類雷達探測儀器來說,這樣的表面很容易給人形成一種存在著液體的假象,而同樣的條件在光學儀器的觀察下則不會形成同樣的景象。

  ○ 地球上發出的雷達信號遇到較平坦的有機物層時也會反射回來,而這種有機物層則很有可能是烴物質河流和湖泊蒸發殆盡後遺留下來的。

  ○ 沉積在土衛六大氣中的有機物微粒坐落在土衛六表面形成一種相對光滑的表層。

  總之,有關土衛六大氣層中的甲烷是如何形成的至今還是科學家們關注的焦點。有人認為它來源於土衛六近100萬年來的地質活動,也有人認為它來源於一場太空災難——與其它天體撞擊後破壞了土衛六表面的冰層,埋藏在冰層底下的大量甲烷被釋放出來。

  但歸根結底都不過是猜測和設想,事實真相如何,只有等待對土衛六更深入的探測來證實。




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