北大西洋百慕大和加那利群島之間中途的洋底，在任何不太可能找到繁華城市的地點列表中都必須名列前茅。然而，在那裡，在陽光照射的表面以下近一公里的黑暗中，大自然建造了一座海底大都市，這是一片由石灰岩塔組成的建築群，高達摩天大樓，是大量蝸牛、螃蟹和貽貝的家園。這些塔是在溫暖的鹼性水從海底 hydrothermal vents 中噴出時，礦物質沉澱形成的。生物學家在 21 世紀初使用潛水器和遙控攝像機發現了這個奇異的“失落之城”，並一直在研究它，以瞭解 hydrothermal vents 如何在遠離賦予生命的陽光的地方維持蓬勃發展的生態系統。與此同時，行星科學家使用卡西尼號太空探測器在外太陽系取得了一系列革命性的相關發現，他們發現了強有力的證據，表明類似於失落之城的 hydrothermal vents 不僅存在於地球上，也存在於土星一顆名為土衛二的小型冰冷衛星神秘的地下海洋中。那裡也可能存在生命嗎？
自然而然地，地外生命的可能性令科學家們興奮不已，但即使沒有外星人在他們眼前晃來晃去，他們也會對其他世界的 hydrothermal vents 感到興奮。表明這顆遙遠衛星上存在 hydrothermal 活動的相同證據，也正在提供關於土衛二海洋成分和壽命的關鍵資訊。這些秘密可能永遠隱藏在冰凍的地殼之下，就像木星的木衛二等目前缺乏 hydrothermal 活動有力證據的其他含海洋衛星一樣。
更根本的是，土衛二 hydrothermal vents 的存在本身就提出了一個令人難以抗拒的謎題。除了水，hydrothermal 活動最重要的成分顯然是熱量，但這個冰冷衛星炙熱的內部卻不容易解釋。土衛二的直徑大約與英格蘭相當——對於一顆衛星來說相對較小，而且太小而無法 удерживать 來自其形成過程的原始熱量。一定有其他熱源在其深處發揮作用。瞭解土衛二如何產生和維持其溫暖的內部，可能會徹底改變我們對冰冷衛星的理解——以及它們存在生命的 перспективы。
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最初的跡象
在卡西尼號抵達土星系統大約一年後的 2005 年，當該航天器觀測到巨大的水蒸氣和冰粒羽流從衛星南極周圍構造活躍的地形上升到數百公里高的太空時，科學家們開始懷疑土衛二內部存在海洋。在隨後的多次飛掠中，卡西尼號追蹤到羽流來自四個線性裂縫噴射出的多股噴流，這些裂縫比周圍寒冷的環境溫暖得多，以至於在紅外線下發光。任務科學家將這些裂縫稱為“虎紋”，並將它們的噴流確定為構成土星經典環系統周圍稀薄而廣闊的冰粒子環——即 E 環——的來源。然而，大多數噴流的冰粒移動速度太慢，無法到達這個環，而是以細粉狀雪的形式落回土衛二。根據覆蓋其南半球部分地區的 100 米高的雪堆，研究人員估計土衛二已經向太空噴射水達 1000 萬年或更長時間。
儘管最初關於土衛二噴流的“海洋假說”存在爭議，但卡西尼號進行的一系列擴充套件研究現在無可辯駁地證實，全球性的深海隱藏在衛星內部。最近，布拉格查爾斯大學的 Ondrej Cadek 和他的合作者（包括我們中的一位（Tobie））對土衛二的引力場、表面地形和輕微的自轉擺動進行了分析，對海洋的大小和範圍做出了迄今為止最好的限制。他們的工作表明，地殼在土衛二赤道附近必須厚約 35 公里，但在南極及其周圍地區厚度不到 5 公里。事實上，凡爾賽聖昆廷大學的 Alice Le Gall 和她的合作者最近在南極地形探測到異常大的熱微波輻射，表明冰殼厚度僅為幾公里。海底位於地表以下約 60 至 65 公里處，這意味著土衛二的海洋容納的水量約為印度洋的十分之一。根據卡西尼號在 2009 年和 2011 年收集的資料，我們中的一位（Postberg）已經表明，水是鹼性和鹹的，在其噴射羽流中含有氯化鈉——標準食鹽。這意味著海洋很可能位於衛星岩石核心之上（並從中浸出礦物質）。
關於 hydrothermal vents 存在的關鍵證據是在 2004 年由卡西尼號宇宙塵埃分析儀 (CDA) 開始收集的，甚至在航天器抵達土星並發現土衛二的羽流之前。當卡西尼號從行星際空間接近土星時，意想不到的微小、快速移動的奈米粒子陣雨像霰彈一樣撞擊 CDA。多年後，在發現羽流之後，Postberg 檢查了 CDA 資料中奈米粒子大小和頻率的分佈，發現它們沒有一個大於 20 奈米，並且它們的所有成分與基本上純二氧化矽——二氧化矽，石英岩和海灘沙子的主要成分——的成分最一致。科羅拉多大學博爾德分校的 Hsiang-Wen Hsu 使用數值模擬來追蹤二氧化矽奈米粒子最可能的軌跡，推測它們起源於 E 環的外圍區域。因為我們知道土衛二產生 E 環，所以這一發現強烈表明奈米粒子來自這顆冰冷的衛星。它們的成分被證明是發現土衛二 hydrothermal 活動的確鑿證據。
從兩百萬公里外看到的土衛二（中心）嵌入在土星的 E 環中，E 環由衛星的冰羽流形成。圖片來源：NASA/JPL 和太空科學研究所
從土衛二噴射出的純二氧化矽令人驚訝，因為其唯一合理的來源將是冰和海洋深處，在衛星的岩石核心中，那裡二氧化矽主要以與其他元素（如鐵和鎂）化學結合的礦物質形式存在。對這些礦物質進行碰撞研磨——粗暴地粉碎岩石以製成越來越小的碎片——可能會產生二氧化矽奈米粒子。然而，這樣的粒子會以各種尺寸出現，而不是卡西尼號觀測到的非常窄的範圍。只剩下另一種自然的解釋：奈米粒子可能從流經岩石的熱鹼性水的過飽和、富含二氧化矽的溶液中結晶出來——也就是說，來自地球上失落之城完全相同的 hydrothermal vents。
宜居的海洋？
在失落之城，以及可能在土衛二的海底，熱水在流經矽酸鹽岩石時會吸收二氧化矽。當水噴射到周圍的海洋並冷卻時，其攜帶吸收礦物質的能力會降低，二氧化矽奈米粒子就會形成。在這個階段，其他分子可能會附著在奈米粒子上，使其變大變重，從而最終沉澱到底部——除非水是鹼性的並且不太鹹。奈米粒子的大小和壽命與其水性誕生地的溫度和化學性質之間的這種關係，為研究人員提供了前所未有的視窗，可以瞭解土衛二海洋的環境條件。
在卡西尼號最初探測到奈米粒子之後，由東京大學的關根康人領導的一個團隊進行了實驗室實驗，以證實奈米粒子是如何形成的，並揭示土衛二深處的條件。科學家們發現，溫度在 90 攝氏度或以上，鹼度高於地球海水，鹽度略低於地球海水的水是產生小型、長壽命二氧化矽奈米粒子的理想選擇。根據他們的實驗，土衛二海洋的鹼度必須介於地球海水和氨水家用清潔產品之間。如果鹼度高於氨水，水的高二氧化矽溶解度將不允許奈米粒子形成。如果水鹼度低於地球上的海水，則必須熱得難以想象才能溶解足夠的二氧化矽以形成二氧化矽奈米粒子。總而言之，Hsu、Postberg 和關根各自的工作提出了這樣一種可能性：失落之城和其他陸地 hydrothermal vents 的豐富生態系統，如果遷移到土衛二的深處，可能會存活和繁榮。換句話說，這顆遙遠冰冷衛星的海洋看起來可能是宜居的。
當然，土衛二目前可能不適合生命存在，卡西尼號探測到的二氧化矽奈米粒子可能只是很久以前停止的古代 hydrothermal 活動的遺蹟。但關根和其他合作者的工作表明情況並非如此。在實驗室實驗和數值模型中，新形成的二氧化矽粒子的平均寬度約為 4 奈米，僅在至少幾個月、最多幾年的時間跨度內才會變大。CDA 資料顯示，來自土衛二的典型奈米粒子寬度在 4 到 16 奈米之間，沒有一個寬度超過 20 奈米。因此，卡西尼號收集的奈米粒子一定是在測量前不久才產生的。否則，它們會比觀察到的更大。
從海底到深空
我們現在可以追蹤一個典型的奈米粒子從土衛二埋藏的海洋底部到更廣闊的太陽系的旅程。在熱的、富含二氧化矽的流體湧入寒冷的周圍海洋的冷卻邊緣形成後，一個奈米粒子將花費長達幾年的時間在約 60 公里的開放水域中向上漂移。
當它到達海洋頂部時，奈米粒子會進入貫穿南極地形上方几公里厚的冰凍地殼的充滿水的裂縫中。由於海水比周圍的冰更密集，因此其向上運動應在土衛二表面下方不到一公里的地方停止。但是，所謂的香檳效應在這裡提供了進一步的推動力：隨著含有溶解的二氧化碳和其他氣體的水上升，並且其上的壓力降低，它會變得充滿氣泡。氣泡有助於將海水提升到土衛二表面 100 米以內的位置。潮汐力也可能透過反覆開啟和關閉裂縫來幫助這一過程。
圖片來源：Ron Miller（土衛二）和 Jen Christiansen（熱源圖示）；來源：NASA/JPL-Caltech/太空科學研究所/月球與行星研究所 （土衛二表面地圖）
我們懷疑，在那裡，充滿懸浮顆粒的富含氣體的液體的臨時池塘會從破裂的氣泡中丟擲海洋霧雲。在如此靠近太空嚴酷真空的環境中，水會有效地蒸發，儘管它接近冰點。蒸汽被拖入真空，並像透過煙囪一樣，透過近地表冰中的裂縫上升到太空。與蒸汽一起，來自起泡池塘的海洋噴霧被向上攜帶，並迅速凍結成微米級的冰粒，這些冰粒像小圓麵包中的葡萄乾一樣包含二氧化矽奈米粒子。一些蒸汽凍結在冰壁上，釋放出潛熱，我們將其視為土衛二表面虎紋的紅外光芒。未凍結的蒸汽將載有奈米粒子的顆粒帶到表面，並將它們像冰冷的噴泉一樣拋入太空。
羽流中的大多數顆粒都以雪的形式落回表面，但那些速度最高的顆粒會逃離土衛二，並在 E 環中積聚。在 E 環中，電離氣體侵蝕冰粒並釋放出嵌入的奈米粒子。然後，釋放出的奈米粒子從電離氣體和自由電子中積累電荷，併成為土星巨大電磁場的玩物。最後，在太陽風的推動下，一些奈米粒子的速度達到每小時一百萬公里——約佔光速的 1%——並飛向太陽系。一小部分逃逸者甚至可能到達星際空間，在恆星之間的空隙中衝浪。
熱門話題
儘管這種敘述很詳盡、優美，而且我們相信是真實的，但它並沒有解決已成為土衛二中心難題的問題：維持其動態海洋所需的內部熱源是什麼？這種熱量對於液態水和生命至關重要，顯然不可能來自陽光。太陽光在土衛二上的強度比地球附近弱約 99%，使這顆冰冷衛星的表面溫度與液氮的溫度大致相同。
地球內部約一半的熱量來自鈾、釷和鉀的放射性同位素的緩慢衰變。這種放射性生熱作用使地球內部的溫度在數十億年內保持在數千攝氏度以上。儘管土衛二可能含有與地球相當濃度的放射性元素，但它只有 500 公里寬，與地球相比，這顆微小的衛星散失內部熱量的效率要高得多。在沒有額外熱源的情況下，土衛二的內部應該是完全凍結的。這顆衛星的小尺寸和微弱的引力也使其內部動力學與地球等龐大的行星截然不同：土衛二內部較低的壓力和較溫和的溫度限制了其核心中物質的壓實和固結，允許水透過多孔岩石向下迴圈，從而在衛星的中心產生 hydrothermal 過程。與此形成對比的是地球，地球上地下壓力和溫度的快速升高限制了水迴圈到地殼頂部幾公里的範圍內。
人們可能會認為，沖刷土衛二的核心會加速其冷卻，帶走任何放射性生熱，並排除製造二氧化矽奈米粒子所需的高溫。然而，除了標準的放射性生熱之外，還有另一種可能的能量來源可以解釋衛星當前的 hydrothermal 活動：潮汐加熱。
類似於地球海洋潮汐是如何由我們的月球和太陽拉動我們的星球而產生的，當行星或衛星在非圓形、偏心軌道上移動時，其內部週期性地彎曲時，就會發生潮汐加熱。來自變化的引力的彎曲會在行星或衛星的內層產生摩擦，從而產生熱量。潮汐加熱在土衛二等多孔的、充滿水的核心內將特別強大。事實上，來自卡西尼號的資料清楚地表明，土星的潮汐力深刻地影響著這顆微小的衛星——其噴發的噴流的亮度以及因此噴射出的物質的量會隨著衛星圍繞環狀行星旋轉而週期性地變化。顯然，作為霧氣和水蒸氣透過冰的管道的煙囪狀裂縫，在潮汐力的拉扯下時而被擠壓在一起，時而被拉開，潮汐力也會產生大量的熱量。
潮汐的轉變
我們不知道的是，我們今天觀察到的海洋是一種僅持續數千萬年的短暫現象，還是一種持續存在數億甚至數十億年的衛星特徵。答案取決於潮汐作用加熱土衛二內部的時間長短，而這又取決於衛星如何影響土星及其衛星鄰居土衛三 (Dione)。
為了理解這些潮汐相互作用，我們可以考慮我們熟悉的地球和月球系統，該系統與土星和土衛二的系統有一些相似之處。我們的月球在地球上引起潮汐，土衛二對土星也這樣做。在地球海洋中，這些潮汐流由於與海岸線和海底的摩擦而逐漸消散——這種效應可以測量到地球自轉速度的減慢。一百年後，這一天將比現在長兩毫秒，地球將消耗足夠的月球潮汐能，將月球軌道向外推近四米。同樣，土星內部的潮汐摩擦會無限小地影響這顆巨行星的自轉，同時增加土衛二與土星的距離和軌道偏心率。較高的偏心率轉化為較大的潮汐效應——以及更多的熱量——在土衛二內部。
正如這位藝術家的構想圖所示，在土衛二炎熱的內部滲透的 hydrothermal 流體可能會形成海底礦床。圖片來源：Ron Miller
巴黎天文臺的 Valéry Lainey 和他的合作者（包括 Tobie）最近對土星大型衛星的運動進行了詳細分析，以便更準確地限制這顆巨行星內部潮汐摩擦的幅度。他們發現土星內部的潮汐摩擦至少比先前模型預測的大 10 倍。如果這是真的，那麼這個更大的數字將意味著土衛二的軌道偏心率是穩定且持久的，從而允許強大的潮汐能夠維持海洋至少數千萬年，甚至可能更長的時間。土衛二的海洋持續存在的時間越長，生命在那裡出現和繁榮的可能性就越大。
勇敢的新地下世界
與此同時，除了潮汐加熱之外，還有第二個可能的熱源需要考慮。當水滲透到矽酸鹽岩石中時，它可以水合並改變某些礦物質的晶體結構，從而在稱為蛇紋石化的過程中釋放大量熱量。在水在衛星多孔的、富含矽酸鹽的岩石核心中易於迴圈的推動下，蛇紋石化可能產生數千兆瓦的功率，併成為土衛二內部熱量預算的關鍵組成部分。只要新鮮的、未改變的礦物質與迴圈水接觸，這種熱量供應就會持續存在。但是，隨著岩石在數百萬年的時間裡完全蛇紋石化，它將停止產生熱量，並且在沒有其他影響（例如潮汐摩擦）的情況下應該冷卻下來。因此，似乎僅靠蛇紋石化很難長期維持全球海洋，以使生命前化學物質進化。
即便如此，蛇紋石化仍然可以為土衛二深處可能存在的生物圈做出貢獻。在地球上，科學家們觀察到蛇紋石化過程為失落之城和其他海底遺址的 hydrothermal vents 提供動力。除了產生熱量外，這些反應還產生氫氣、甲烷和其他有機化合物，這些化合物維持了微生物，而微生物構成了它們與世隔絕、缺乏陽光的生態系統的食物鏈基礎。一些研究人員在研究此類生物時，想知道生命是否真的需要陽光。
最近，土衛二含水核心內部正在發生類似情況的想法得到了極大的推動：在 2015 年 10 月 28 日的最後一次近距離飛掠期間，卡西尼號比以往任何時候都更深入地進入羽流，以便其離子和中性質譜儀 (INMS) 尋找氫氣。2017 年 4 月，INMS 團隊報告說，他們確實探測到了氫氣，氫氣約佔羽流蒸汽的 1%，這支援了蛇紋石化發生在衛星內部深處的想法。蛇紋石化可能對總熱量預算的貢獻不大，但羽流中氫氣和甲烷的測量比率表明，所謂的產甲烷反應可能在 hydrothermal 遺址提供化學能來源。
在 20 世紀 80 年代後期，當時在蘇格蘭斯特拉斯克萊德大學的 Michael Russell 和他的合作者假設，鹼性 hydrothermal vents 可能是早期地球上第一個生物體的誕生地。儘管地球上尚未發現任何鹼性 hydrothermal vents，但 Russell 認為，此類遺址將提供相對良性但能量豐富的環境，在這種環境中，生命前化學物質可以醞釀形成現代膜、新陳代謝和自我複製分子的前體。很少有人認真對待這個想法，以至於在純粹的學術圈之外進行討論或辯論。
失落之城的發現引發了人們對 Russell 假設的新興趣，將其推到了當代生命起源討論的最前沿。現在，在土衛二內部發現類似的環境——以及它們可能存在於木星的木衛二等其他冰冷衛星中——正在催化我們思考太陽系其他地方生命可能性的另一種轉變。生物學不必侷限於陽光照射的岩石行星溫暖潮溼的表面，而可能在更廣泛的環境中擴散，全部或部分由放射性同位素、蛇紋石化或潮汐力產生的熱量維持。土衛二和木衛二可能是冰山一角——暗示木星的木衛三 (Ganymede) 和木衛四 (Callisto)，以及土星的土衛六 (Titan) 和土衛一 (Mimas)，甚至矮行星冥王星也存在地下海洋。像我們一樣對地球以外生命感興趣的研究人員才剛剛開始探索這些推測性的可能性及其影響，但似乎越來越有可能的是，到目前為止，我們已經大大低估了宇宙的生物繁殖力。
目前，我們必須對冰冷衛星的內部是否真的提供地外宜居性的所有必要成分保持沉默。土衛二內部 hydrothermal 活動的持續時間和強度仍然是一個懸而未決的問題，而關於木衛二內部可能存在的 hydrothermal 活動的討論幾乎只是猜測。美國國家航空航天局 (NASA) 及其歐洲航天局 (ESA) 的對口機構都渴望找到這些問題的答案，並計劃在 2020 年代末或 2030 年代初執行前往木星冰冷衛星的任務，以尋找類似土衛二的羽流。2017 年 9 月，卡西尼號完成了它的任務——墜入土星，以排除任何用地球生物汙染土衛二或其他冰冷衛星的可能性。最終，新一代航天器可能會被送到那裡進行原位探測，登陸衛星，甚至收集樣本返回地球。目前，此類任務僅存在於天體生物學家的希望和夢想中——但也可能不會持續太久。