探索
EXPLOE
土卫六:最像地球的太阳系星体
发布时间:2024-12-07
打印
{{ isAudioPlay ? '暂停播放' : '播放声音' }}
放大 缩小

2005年1月14日,重319千克的“惠更斯”号抵达土卫六上空1270千米的目标位置,着手准备穿越土卫六的大气层。

“惠更斯”号是“卡西尼”号太空探测器发射的着陆器。当“惠更斯”号降到距离土卫六表面160千米的高空时,着陆器上的主要科学探测设备开始逐一启动,拍摄土卫六的表面,分析土卫六的大气组成、地表组成,测量风速、气压和温度。它将收集到的这些数据发送给轨道上的“卡西尼”号,再由“卡西尼”号转送回地球。

经过近两个半小时的穿越和降速,“惠更斯”号于当天标准时间12:43在土卫六着陆,着陆时碰撞速度为4.5米/秒,相当于在地球1米的高度扔下的球的落地速度。着陆点的温度为-179.35℃,气压为1.448个标准大气压,地表附近大气中的甲烷含量为5%±1%,相对湿度为50%。

“惠更斯”号着陆时,土卫六的表面亮度是阳光照射地球表面时的1/1000。也就是说,土卫六当时的表面亮度大概相当于地球上太阳落山10分钟后的亮度。

着陆后,“惠更斯”号拍摄了人类历史上第一张土卫六地表照片。这是一片已经干涸的陆地,散布着鹅卵石一样的东西,科学家猜测是水冰或碳氢化合物等混合物。几乎所有人都说——这多像地球!

橙雾背后

土卫六是土星最大的卫星,也是太阳系里仅次于木卫三的第二大卫星。土卫六以“泰坦”(Titan)命名,在希腊神话里,泰坦是一个巨人家族,过去人们曾认为土卫六是太阳系中最大的卫星,它的直径比月亮大50%。

对土卫六的地貌形态,人们一直缺乏了解。它的大气层是地球的两倍厚,很难用可见光谱来“窥”见星球表面。最初人们认为,它主要由水冰和岩石物质组成。得益于“卡西尼”“惠更斯”这些探测器,人们才真切地看到这颗遥远的卫星,最大限度地还原它的本来面目。

土卫六是太阳系唯一拥有浓厚大气层的卫星。地球大气主要由氮气和氧气组成,而土卫六大气的主要成分是约95%的氮气和约5%的甲烷。甲烷是1个碳原子和4个氢原子的结合。在太阳系中,甲烷并不罕见,甲烷赋予天王星、海王星的大气一抹淡蓝,在冥王星还有柯伊伯带上的矮行星的大气中也发现了甲烷。

紫外线能将甲烷迅速分解,被分解出来的氢原子和碳原子可能进行了重组,合成的碳氢化合物进入上层大气,形成一种与地球的雾霾相似的浓厚橙雾。这层浓密的大气反射了大部分的光,造成“反温室效应”,使得土卫六的地表十分寒冷,温度只有-180℃,不可能有液态水存在。

低温的湖泊

土卫六虽然诞生于太阳系形成的同一时期,但是地质活动可能重塑了它的地表,它现在的地表年龄只有1亿~10亿年。

除了地球,太阳系大部分天体因为大气、温度等原因,地表无法保有液体。如果能证明土卫六的地表有液体,那可是个大发现。

最早在“旅行者”1号和“旅行者”2号飞过土卫六的时候,科学家就已经猜测土卫六上存在碳氢化合物组成的海洋。随后,科学家获得了哈勃空间望远镜拍下的红外照片。1995年,卡尔·萨根(Carl Sagan)参与撰写的一篇论文发表在《自然》杂志上,认为土卫六存在着液态甲烷,就像地球的水系一样,大到形成一片海洋,小到形成一个湖泊。

“卡西尼”号携带的红外线仪器和雷达设备起到关键作用。2006年,雷达设备显示,土卫六的北半球在接近北极的低洼地点散布着大量深色斑块,它们的雷达反射率低,推断可能是液态乙烷、甲烷和溶解的氮气组成的海洋和湖泊。其中最大的一片占地约40万平方千米,相当于地球上里海的大小,是土卫六最大的液体区,被称为“海洋”,以北欧传说中类似巨型章鱼的海怪“克拉肯”(Kraken)命名。美国国家航空和航天局还构想建造一艘潜水艇潜入“克拉肯”中一探究竟。

第一个确定成分的湖是土卫六南极占地2约万平方千米的“安大略湖”(Ontario Lacus)。“这是第一个证明土卫六有充满液体的表面湖的确凿发现。”美国亚利桑那大学的鲍伯·布朗(Bob Brown)2008年在《自然》杂志发表的论文上说。科学家分析了土卫六不同的化学物质吸收和反射的红外光后,确定“安大略湖”含有乙烷。

总体而言,土卫六的湖海只占星球表面的一小部分,相比地球,土卫六要干得多!

科学家还利用雷达,通过发射无线电波脉冲信号并测量信号被反射回来的时间,来勘测土卫六地表液体的深度。比如,“安大略湖”非常浅,平均深度在0.4~3米;北半球的“丽姬娅”海(LigeiaMare)深度则在20~40米,因为雷达反射信号缺失,最深处可能超过200米。

地表存在液态甲烷、乙烷,也证实了科学家之前的猜测。液态碳氢化合物蒸发进入大气,而大气中的碳氢化合物分子也会以甲烷雨的形式降落到地面,因此土卫六上存在碳氢化合物的循环。

一片地下海

土卫六虽然没有一个全球性的地表海洋,但是,在两层不同形式的冰层中间,可能夹着一个漂浮的液体层。

让科学家有此项发现的是潮汐变形现象。土星的巨大引力会让土卫六的地表不断拉升或挤压变形。如果土卫六完全是由固态岩石组成的,那么来自土星的引力会造成其地表隆起,形成所谓的“固体潮”,其高度应为1米左右。然而“卡西尼”号的实测数据显示,土卫六上的隆起高达10米,暗示着这颗星球并非完全由固态的岩石物质组成。

2012年6月,意大利罗马第一大学的卢西亚诺·列斯(Luciano less)称:“‘卡西尼’号探测到土卫六大幅度的潮汐起伏,几乎必然让人得出其地表下方存在一个隐匿的海洋的结论。”要形成实测值大小的潮汐隆起效应,土卫六地下的海洋层不必很厚很深。一个位于其坚硬的可变形外壳和内部岩石地幔层之间的液态层,就可以让土卫六在围绕土星周围运行时,呈现如观察值所反映的那种隆起或压缩现象。由于土卫六地表主要是由水冰组成,科学家相信,土卫六的地下海洋的主要成分也应该是液态水。

科学家通过分析“卡西尼”号传回的探测数据,还发现了土卫六引力和地形之间有违常理的关系。“正常情况下,如果你飞越一座山,由于山体聚集了更多的质量,引力会增大。”美国加利福尼亚大学的行星科学家弗朗西斯·尼姆(Francis Nimmo)说,“然而,在土卫六上,当飞越一座山时,引力却会减小。这是一项非常奇怪的现象。”一种可能的解释是,在土卫六表面,坚固的冰壳存在向地下海洋延伸的部分,就像地球上的冰川一样。地形的每一个隆起所增加的引力,都会因为这种向地下延伸的大型“冰根”而被抵消。由于冰的密度比水小,在存在巨型“冰根”的地方,“卡西尼”号检测到的引力相对就较小。

研究人员发现,想要合理解释观测到的引力数据,土卫六海洋的密度必须非常高,这意味着土卫六的海洋可能是极咸的海水或盐溶液的混合物,它们可能由硫、钠和钾组成,这种盐水的密度可能与地球上最咸的海水密度相当。

对生命的期待

科学家认为,土卫六在许多方面的特征表明它像是地球的孪生兄弟。土卫六有大气,其表面的大气压比地球要高一点,更重要的是,土卫六是太阳系除地球外唯一的表面存在液态物质、内部存在水资源的星球。科学家认为,水能够用于生产氧气,有可能使土卫六的空气适于呼吸。

土卫六拥有神奇的表面环境,大气中存在复杂的有机分子,科学家认为这是生命的基石。于是科学家猜想,土卫六的液态甲烷世界中可能有怪异的生物,能够在-180℃的环境中生存,利用液态甲烷作为能量来源。美国康奈尔大学的研究小组发现,磷脂分子的形成是地球生命出现的一个重要步骤,而土卫六的环境有助于磷脂分子的出现。

如果土卫六上存在生命,一定是拥有细胞膜的个体。“卡西尼”号的探测数据表明,土卫六大气中存在非常复杂的化学反应,丙烯腈可能是构成土卫六生命细胞膜的基础物质。目前,实验室已经模拟土卫六的环境合成了这类物质,计算化学仿真实验的结果表明,这类物质能够适应土卫六的环境。

有了大气层和有机物,土卫六就像几十亿年前冰冷的地球,那时生命还没有开始向大气中释放氧气,因此土卫六被视为一个时光机器,用来研究地球生命的诞生之谜。

土卫六拥有大量支持生命产生和生存的化学特征。如果土卫六孕育出了生命,这些生命可能不会像地球上的生命一样依赖水,而是依赖液态甲烷和乙烷。我们现在要做的就是静待“卡西尼”号找到更多的答案。

也许在遥远的未来,土卫六会变得适合人类居住。50亿年后,太阳变成了红巨星,温度的上升让土卫六有了液态水;而且土卫六大气层上部的阴霾会散尽,大气中的甲烷启动“温室效应”。这些条件加在一起可以创造一个适宜居住的环境,并且可能持续数亿年。