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美國宇航局的探測器在 2005 年發現了從土星冰冷衛星土衛二表面噴射出的水柱,現在它又發現了令人信服的證據,表明這些羽流源於地下的鹹水儲層。
卡西尼號探測器在 2008 年和 2009 年飛過土衛二南極地區噴射出的高聳羽流,並對其內容物進行了取樣。在 6 月 22 日線上發表於《自然》雜誌上的一項分析中,一個研究團隊報告說,羽流的成分最容易解釋為來自一個相當大的地下水體。(《大眾科學》是自然出版集團的一部分。)卡西尼號的儀器並非設計用於進行此類測量——事實上,這項任務應該在飛越發生之前就結束了——但由於推遲了退役,並進行了一些即時軟體調整,這艘多用途航天器得以嗅到了類似間歇泉的噴射物。
自從被發現以來,人們就知道這些羽流富含水蒸氣,但它們的起源仍然懸而未決。即使地下沒有液態儲層,水蒸氣也可能來自土衛二豐富的冰直接在太空中昇華為蒸氣,或者來自稱為籠形水合物的含水固體的分解。
但是,與月球岩石核心接觸的液態儲層應該包含溶解的鹽,這些鹽會注入上升的間歇泉,而昇華的冰或分解的籠形水合物在產生鹹味羽流方面的效率要低得多。海德堡大學和德國海德堡馬克斯·普朗克核物理研究所的行星科學家弗蘭克·波斯特伯格和他的同事在 2009 年收集了一些支援鹹水假說的證據,當時他們表明土星彌散的 E 環中的一些顆粒富含鹽分。E 環由土衛二的羽流供養,因此這意味著鹹味顆粒起源於這個冰冷衛星假設的地下海洋,並作為一種冷凍海霧噴射到環中。
但是,由於鹹味顆粒僅佔 E 環顆粒的一小部分,海洋假說還算不上鐵板釘釘。在對卡西尼號穿過羽流的潛水的新分析中,波斯特伯格和他的合著者發現鹽濃度要高得多——幾乎所有靠近羽流源的顆粒都是含鹽冰。現在,如果不引入一個大型地下儲層,就更難解釋土衛二的噴發。“超過 99% 的排放冰富含鹽分,這為(海洋)提供了更有力的證據,而且這與冰昇華不符,”波斯特伯格說。“現在,有了 99% 的比例,我們知道它不可能來自固體。”富含鹽分的顆粒很重,往往會落回地表,這解釋了它們在土星 E 環中相對較少的原因,相比之下,較輕的、不含鹽的顆粒則較多。
加州大學聖克魯斯分校的行星科學家弗朗西斯·尼莫說:“當他們飛過 E 環時,他們嗅到了這些鹹味的冰粒,”他沒有參與這項新的研究。“現在,這種嗅探已經變成了——幾乎一切都是鹹的。這使得這些顆粒來自某種液態儲層的說法變得幾乎不可避免。”
這個直徑僅為 500 公里的冰冷衛星可能是太陽系中幾個擁有地下液態水儲藏的衛星之一。一些證據暗示,土衛六(一顆更大的土星衛星)以及木星的三顆最大衛星木衛三、木衛四和木衛二,以及海王星的衛星海衛一也存在地下海洋。
但是,土衛二的儲層究竟是什麼樣子尚不確定。鹽含量意味著水體與土衛二的岩石核心接觸,土衛二的密度表明,該水體位於地表以下數十公里處,但地表逸出的蒸汽表明,蒸發發生在更淺的地下深度。一種可能性是在土衛二核心的鹹水海洋供養的一系列近地表霧狀洞穴。“在冰和岩石核心的介面處,你有一個深處的海洋,”波斯特伯格說。“但它必須與地表以下僅幾百米的儲層相連。”
假設的管道系統的規模和複雜性提出了一些問題。“這些‘深霧洞穴’必須非常巨大,並且以複雜的方式與海洋和地表相連,”科羅拉多大學博爾德分校的行星科學家尼古拉斯·施耐德說。施耐德說,在羽流中檢測到鹽確實與液態來源一致,但地球物理學家現在需要提出一種關於衛星含水內部結構的切實可行的描述。“畢竟,我們實際上是在利用羽流來告訴我們內部的情況,但沒有人接受過這一挑戰,”他說。“我們正在觀察小土衛二吐出的東西,但這幾乎無法告訴我們關於嬰兒內部的任何資訊!”
另一個問題是,像土衛二這樣小的冰冷衛星如何維持大量的液態水。土衛二繞土星執行產生的潮汐能提供了一些熱量,但不足以阻止大量的水在數十億年內結冰。“我們仍然沒有回答的最大的問題是:海洋如何在地球時間中倖存下來?”尼莫說。“最有可能的答案是,它根本不是一個全球海洋,而更像是一個區域性的海洋。”換句話說,土衛二的潮汐熱量可能集中在南極地區,從而在原本冰凍的衛星上允許區域性液態儲層存在。
自 2004 年以來一直在探索土星的卡西尼號可能會在未來幾年提供關於這個神秘冰世界的更多答案。這艘航天器的任務最初定於 2008 年結束,但已延長至 2017 年。