四分之一個世紀前，“旅行者2號”宇宙飛船快速掠過土星系統，它與土衛二的距離近至90000公里。在幾個小時的過程中，它的相機傳回了一些影像，這些影像讓行星科學家們困惑多年。即使以土星衛星的多樣性標準來看，土衛二也是一個異類。它冰冷的表面像新雪一樣潔白而明亮，而其他無空氣的衛星都佈滿了隕石坑，土衛二的一些地方卻覆蓋著廣闊的平原，這些平原光滑且沒有隕石坑，這清楚地表明瞭過去由內部驅動的地質活動。土衛二的直徑僅略超過500公里，似乎太小了，無法自行產生大量熱量。然而，這個天體顯然發生了一些不尋常的事情，徹底抹去了其隕石坑記錄的大片區域。
“旅行者號”的短暫遭遇只允許匆匆一瞥，而且，事後看來，它對土衛二的成像覆蓋範圍非常不幸：一些北部半球的中等解析度影像，南部的一些低解析度覆蓋範圍，以及沒有南極的影像。我們不知道我們錯過了什麼。
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“旅行者號”的訪問產生的興趣使對土衛二進行全面考察成為卡西尼號土星任務的主要目標。卡西尼號於1997年發射升空，花了七年漫長的時間穿越行星際空間，攜帶了有史以來進入外太陽系的最先進的儀器套件。它終於在2004年夏天抵達港口[參見喬納森·I·盧寧的“土星終於到了！”；《大眾科學》，2004年6月]。在那一年的12月，它向土星最大的衛星土衛六的大氣層中投放了一個探測器，然後開始了對其餘土星系統的巡視——尤其是土衛二，在過去的幾個月裡，它比以往任何時候都更仔細地考察了土衛二。
在這個構造活動劇烈的小世界上發現的東西一直是行星探測家的夢想，現在這個深藏在一個壯麗的行星系統深處的小前哨站已經具有了與其微小尺寸不相稱的重要性。土衛二不僅有足夠的熱量來驅動改變地表的地質活動，而且還擁有有機化合物，甚至可能存在地下通道或液態水海洋。能量、有機物、液態水：這些是我們所知的生命存在的三個先決條件。在我們對外星和遙遠地方的探索中，我們已經與一個可能適合生物體生存的環境面對面。沒有比這更好的了。
土衛二的緩慢揭示
早在卡西尼號首次近距離接觸土衛二之前，即使在當時並沒有得到一致的讚賞，第一個暗示我們即將迎來重大發現的跡象就出現了。2005年1月，我們的相機拍攝了第一批以太陽為背景的月球影像，行星天文學家將這種觀測幾何形狀稱為高太陽相位。正如當您駕車駛向太陽時，覆蓋在汽車擋風玻璃上的灰塵會變得非常明顯一樣，當您透過太陽系中散佈的非常細小的微粒看向太陽時，這些微粒也會變得非常明顯。事實證明，這些觀測條件在整個“旅行者號”任務中非常成功，揭示了外行星及其衛星環和大氣層中難以看到的結構，它們是土衛二調查的關鍵。
1月份的影像顯示，月球南極邊緣突出一個耀斑。沒有人需要說出來；我們這些“旅行者號”的老兵立刻想起了木星火山衛星木衛一上空升起的火山羽流以及海王星衛星海衛一大氣層中的飄渺薄霧。成像團隊中的一些人確信，耀斑是物質從南極噴發的有力證據；其他人則警告說，該特徵可能是在迎向太陽的條件下經常出現的一種惱人的相機偽影。
我當時猶豫不決。不幸的是，我們都太忙於計劃未來的觀測和撰寫科學論文，而無暇進行可能解決問題的詳細分析。由於沒有時間進行驗證，我決定不公開說什麼；我非常清楚，如果宣佈發現一個物質羽流從一個本應是地質死亡的衛星表面躍起，但很快又不得不承認那只是一團汙跡，那將是多麼尷尬。幸運的是，我們沒有等太久。
2月和3月，卡西尼號對土衛二的前兩次近距離飛掠使探測器在土衛二的赤道上方和沿赤道航行。兩者都獲得了驚人的結果。“旅行者號”看到的平原根本不平坦。相反，它們在亞公里尺度上廣泛而精細地斷裂，在某些地方縱橫交錯著多代裂縫和溝槽，一些是線性的，一些是彎曲的。在其他地方，表面被深達半公里的裂縫深深地劃傷。在更精細的尺度上，大致平行的狹窄裂縫的蜘蛛網將地形形式切割成板狀。土衛二顯然在其過去經歷了多次不同的嚴重構造活動——並且有疤痕來證明這一點。
2月份的飛掠產生了另一張高太陽相點陣圖像，顯示出一個比以前更大、更引人注目的耀斑。此外，磁強計注意到，當土星自轉帶動磁力線經過土衛二時，土星的磁力線正在發生扭曲——這表明磁力線正在拾取重離子。離子的來源似乎是月球的南極。證據越來越多：我們的成像偽影開始看起來根本不像偽影。
卡西尼號的科學家們向專案經理提出了一個案例，要求更好地觀察——具體來說，將2005年7月的飛掠高度從1000公里降低到168公里。他們同意了。7月14日，卡西尼號在月球下方和其高緯度南部上空飛行，使我們首次清晰地看到了南極，那裡是景觀最令人驚歎和地質特徵最鮮明的地方，在我們的太陽系中任何地方都看不到。
覆蓋南極的地形是一個大致呈圓形的區域，完全沒有隕石坑，並被少數幾條我們稱為“虎紋”的深而平行的裂縫突出地蝕刻著。它們幾乎均勻間隔，延伸130公里，並以鉤狀彎曲結束。條紋之間是比平均水平更亮的精細溝槽地形平原，整個區域在南緯55度處被一個連續的、蜿蜒的環極邊界清晰地劃分出來，該邊界由同心山脈和山谷組成。邊界的蜿蜒大約每經度45度間隔一次，長裂縫從其中一些裂縫延伸到赤道，進入基本上沒有隕石坑的區域。
康奈爾大學的成像團隊成員保羅·赫爾芬斯坦認為，山脈和山谷的結構和位置表明，當表面沿南北方向水平壓縮時，邊界會彎曲，就像喜馬拉雅山脈一樣，形成一個會聚構造邊界，並且整個封閉區域相當於土衛二的北大西洋脊——一個新的表面形成的擴張中心，並向外推。
顯然，這個小衛星的面容上寫著一個故事，講述了它過去發生的戲劇性事件，但我們即將發現，它的現在比過去更加令人震驚。在卡西尼號越過南極地形外圍的過程中，它的塵埃分析儀拾取了微小的粒子，顯然來自虎紋區域。另外兩個儀器探測到水蒸氣，其中一個儀器提供了二氧化碳、氮氣和甲烷的特徵。卡西尼號穿過了一層稀薄的雲層。
更重要的是，熱紅外成像儀感應到裂縫沿線的溫度升高——可能高達180開爾文，遠高於陽光簡單加熱所預期的70開爾文。這些地方每平方米泵出驚人的60瓦特，是黃石地熱區每平方米2.5瓦特熱量的許多倍。而且，超出紅外儀器解析度能力範圍的較小表面區域可能更熱。
到目前為止，我們簡直不敢相信我們有幸偶然發現了這樣一個迷人的地方。作為快速響應，成像團隊計劃在四個月後（2005年11月下旬）拍攝一系列特殊的影像，以高解析度和非常高的太陽相位觀察南極。與此同時，已經積累了足夠多的在類似高相位下觀察到的其他衛星的影像，在我的小組的影像分析師的幫助下，我向我們團隊的懷疑論者證明，這些影像沒有任何耀斑，而我們在土衛二上看到的絕對不是偽影。當我們都意識到我們正在觀察一個微小顆粒的羽流，它絕對是巨大的，至少延伸到月球南極上方數百公里時，我們猶豫不決的日子就結束了。
11月27日，我們拍攝的一系列引人注目的新月形土衛二黑白影像終於到達，清晰地顯示出十幾個或更多個不同的狹窄噴泉，它們將細小的冰粒子噴射到太空中，併為一個微弱但巨大的火焰狀羽流提供物質，該羽流高聳於南極區域之上。空間科學研究所的成像團隊成員約瑟夫·斯皮塔爾和我後來的分析表明，噴射源與虎紋上最熱的位置重合——這是溫暖和活躍噴發之間存在聯絡的第一個確鑿證據。大多數粒子會落回地面，但有些粒子具有足夠的速度進入繞土星執行的軌道，實際上是造成土星最外層環，即E環的原因。
無論用什麼標準衡量，這些影像都是一個戲劇性的發現：一個無可辯駁的證據，表明在一個原本寒冷的小衛星上存在當前的內部活動。我不禁立刻對那些很久以前第一眼看到黃石公園間歇泉動盪的人們產生了親切感。
升溫
關於土衛二的第一批卡西尼號科學論文於2006年3月初發表，狂熱開始了。每個人都開始談論土衛二。從那以後，卡西尼號對土衛二進行了多次飛掠，深入到羽流密度更高的區域，最低到達25公里的高度。在今年3月的一次非常低空飛掠中，卡西尼號改進了對水蒸氣、氮氣、二氧化碳和甲烷的測量，此外，它還發現了一些其他含碳化合物，如乙炔和氰化氫，以及痕量的乙烷、丙烷、苯、甲醛和其他有機物。
在8月的另一次非常近距離的飛掠中，我們的相機聚焦於噴射流的地表源頭。宇宙飛船的飛越速度非常快，以至於必須設計一種特殊的相機平移技術，類似於飛碟射擊，以避免運動模糊。完美地執行後，該序列顯示虎紋深達300米，具有V形壁，冰塊像房屋大小一樣散落在它們的側翼和更遠的地方。側翼沿線的區域看起來比平均水平更光滑——可能是新鮮降雪的覆蓋層。
出乎意料的是，每個噴口的直接附近與其他裂縫沿線的其他地方沒有明顯的區別。我們初步得出結論，沒有一個噴口會長時間保持活躍。冰塞從凝結的蒸汽中生長出來，並在噴口能夠顯著改變周圍地面之前將其阻塞。在那時，壓力迫使在裂縫沿線的其他地方開啟一個新的噴口，它也會被阻塞，如此迴圈往復。一段長時間推移的電影可能會顯示噴射流在裂縫的長的線性延伸上上下遷移。
除了讓我們瞭解令人歎為觀止的地質現象外，這些影像還精確測量了土衛二的大小和形狀。結合月球的質量（從其在近距離接觸期間對卡西尼號軌跡的引力擾動中得出），這些資訊揭示了土衛二是土星主要衛星中最富含岩石的衛星。其1.6克/立方厘米的平均密度意味著岩石佔月球質量的60%，而且很可能岩石集中在一個岩石核心中，該核心被數十公里厚的水冰地幔包圍。
在地球上，岩石含有產生熱量的放射性物質。這無疑也適用於土衛二。但即使所有這些岩石也不足以產生觀測到的熱量。唯一另一種可能的熱量來源是潮汐加熱。正如太陽和地球月球的引力略微使我們的地球變形，產生海洋潮汐一樣，土星的引力也使土衛二變形。土衛二的軌道不是圓形的；它與土星的距離是變化的。它離土星越近，變形就越大。這種每日變化會引起彎曲和內部加熱。引力也可能在表面特徵的形成中發揮作用。虎紋與土星方向成45度角——潮汐力自然會解釋這種方向。
加熱的程度不僅取決於軌道偏心率——軌道偏離完美圓形形狀的程度——還取決於月球內部的一致性。一個非常剛性的物體會抵抗變形。一個完全彈性的物體會變形但不會以熱量的形式消散能量。一個由粘性材料組成的柔韌的衛星會屈服並升溫，一個部分剛性但佈滿裂縫的衛星也會屈服並升溫，這樣冰塊就會相互摩擦並透過摩擦產生熱量。加熱不需要在整個月球中均勻發生。它可以集中在外冰殼中或外冰殼內的有限區域，例如裂縫。
通常，潮汐加熱往往會自行關閉。衛星中的物質需要時間變形，因此變形始終與產生變形的力不對齊。結果是引力矩，它會改變衛星的軌道運動並逐漸使軌道圓形化。潮汐應力停止變化，衛星穩定成固定形狀，加熱停止。然而，土衛二仍然保持橢圓軌道，這是因為它與其更大的兄弟衛星土衛三存在軌道共振。土衛二每繞土星執行兩圈，土衛三就執行一圈。這種同步性使來自土衛三的週期性引力踢力隨著時間的推移連貫地作用，並使土衛二的軌道保持非圓形。
然而，即使是這些特殊情況也不夠。麻省理工學院的詹妮弗·邁耶和傑克·威斯多姆研究了土衛二的軌道構型，發現注入到天體中的潮汐能量的數量比土衛二南極輸出的能量少了五倍。這個結果完全獨立於潮汐能量在內部如何消散。土衛二在其目前的軌道上，根本沒有足夠的能量來解釋其熱量輸出。
橡皮泥衛星
只有當您假設土衛二今天的潮汐加熱應該與其今天的熱量輸出精確匹配時，悖論才會出現。如果土衛二仍在散發早期加熱事件的熱量呢？格雷格·奧亞坎加斯和大衛·史蒂文森（當時都在加州理工學院）於1986年首次對木衛一進行研究時提出的一種可能的設想是，衛星的軌道及其內部的一致性可以相互作用，導致軌道偏心率和熱量輸出的週期性變化。
想象一下，從一個寒冷、大部分剛性的土衛二開始，它在一個近乎圓形的軌道上執行。潮汐加熱率相對較低。土衛三迫使軌道偏心率增加，這導致冰殼中更大的彎曲和粘性加熱。偏心率和加熱持續增加，直到在某個時候，加熱率超過了月球散失熱量的能力。然後內部溫度開始升高，內部物質變得更柔軟，剛性更小，這導致更多的潮汐加熱。在另一種可能的振盪方案中，月球變得不那麼僵硬不是因為它變得更柔韌，而是因為裂縫的產生。潮汐應力使冰破裂並引起剪下運動。裂縫表面之間的摩擦導致潮汐能量耗散和沿裂縫加熱。
在這兩種情況下，額外的耗散都會導致月球的軌道變得更加圓形，最終趨勢逆轉；潮汐加熱開始減少，並最終低於地表的熱量散失率。月球開始冷卻，冰要麼恢復僵硬，要麼在第二種情況下，裂縫癒合。然後，這個週期重新開始，可能需要數千萬年。這個想法說明了我們可能在某個時候偶然發現一顆衛星，那時它的熱量輸入和輸出不是處於穩定狀態。在這樣的振盪方案中，能量輸入和輸出僅在整個週期內平衡。在任何給定的時刻，人們可能會發現月球的熱量輸出高於或低於平均水平——並且高於或低於其瞬時加熱率。
奧亞坎加斯和史蒂文森已經表明，由冰的粘度對溫度的依賴性介導的迴圈可能適用於木衛一，木衛一也像土衛二一樣，存在熱量輸入和輸出不匹配的情況。不幸的是，它不適用於土衛二：邁耶和威斯多姆得出結論，該衛星的質量不足。裂縫介導的迴圈可能是可能的，但尚未得到充分研究。
下方有什麼？
法國南特大學的加布裡埃爾·託比和他的合作者研究了另一種可能的解決方案：南極的一個薄弱區域可以將潮汐能量集中在那裡，並透過時間維持自身。他們模擬了土衛二對潮汐力的響應，假設南極下方是一個低粘度區域，這使得土衛二的這一部分比其他部分更柔韌。這個模型可以重現觀測到的熱量輸出，但僅在兩種條件下，這兩種條件徹底改變了我們對土衛二的看法。
首先，該區域的冰必須是溫暖的——接近其熔點——其次，在覆蓋的冰殼和岩石核心之間必須有一個液體層楔入。這個層必須位於幾乎整個南半球的下方。如果沒有它，不僅彎曲以及由此產生的粘性加熱將不足，而且它還傾向於發生在赤道而不是極地。
當人們考慮到土衛二的南極帽實際上是一個半公里深的盆地，它被刻入月球的整體形狀時，地下海的想法變得更加引人注目。根據惠頓學院的傑弗裡·柯林斯和伍茲霍爾海洋研究所的傑森·古德曼的研究，這個盆地可能是地下海的表面表現。液態水比冰密度大，因此該區域水的總體積較低。本質上，整個南極區域都是一個巨大的天坑。
事實上，海洋可以間接地解釋土衛二的大部分地質多樣性。華盛頓卡內基研究所的松山勇和加州大學聖克魯茲分校的弗朗西斯·尼莫已經表明，月球主要地質特徵的位置和方向——特別是南北走向的裂縫和環極山脈——表明月球的冰殼相對於其自轉軸發生了滑動。月球就像一個巨大的陀螺儀，其外殼可以圍繞軸心自由旋轉。
這個想法可以解釋為什麼地質活動活躍區域恰好位於南極：一個溫暖的區域，密度低於平均水平，自然會向自轉軸漂移。此外，南極下方的較溫暖區域將在冰殼最上層脆性層下以對流方式上升，這解釋了南極地形的擴張中心特徵。為了使冰殼以這種方式移動，需要一個液體層將冰與更深的內部解耦。
土衛二活動的全因可能是這些效應的組合。如果土衛二經歷裂縫介導的加熱迴圈，並且如果月球外冰殼的潮汐變形速率足夠快，裂縫可能會傳播到下方的韌性溫暖區域，甚至可能一直到達海洋。這些裂縫內的摩擦加熱將有助於南極下方的整體粘性加熱。冰可能會沿著深裂縫融化，融水將大大提高加熱率。透過這種方式，地下海可能是自我維持的，上覆地殼中的液態水為下方的海洋提供補給。只要海洋在迴圈的冷卻階段永遠不會完全凍結，只要土衛二與土衛三保持軌道同步，整個過程就會繼續下去。
更重要的是，液態水可以自然地解釋觀測到的噴發。加州大學伯克利分校的邁克爾·曼加已經表明，地下海的部分凍結會增加其壓力並迫使液體向上。隨著壓力在上升過程中釋放，溶解的氣體（如二氧化碳）會從溶液中析出並形成氣泡，這就像搖晃一瓶香檳一樣，可以幫助液體上升。如果液體確實一直到達地表，它就為熱量如何從其產生的地方（月球深處）到達地表的問題提供了一個現成的答案：流動的水在傳遞熱量方面非常有效。這也意味著噴射流實際上是間歇泉，起源於地下液體儲層。
土衛二作為生命的居所
我們仍在測試和完善我們關於土衛二如何變成今天的樣子的概念。但總而言之，幾乎不可避免的是，液態水存在於其地表之下的某個地方。如果是這樣，我們面臨著一個令人興奮的可能性，即在這個小衛星內部，存在著生命，或者至少是生命的先兆步驟可能正在萌動的環境。生命所需的一切似乎都存在：液態水、必需的化學元素和過剩的能量。土衛二生態系統的最佳類比是陸地地下火山地層，液態水在熱巖周圍迴圈，完全沒有陽光和陽光產生的任何東西。在這裡發現了消耗氫氣和二氧化碳產生甲烷，或消耗氫氣和硫酸鹽的生物體——所有這些都不是由太陽提供能量，而是由地球自身的內部熱量提供能量。
今天的土衛二很大程度上是昨天的孩子，我們才剛剛開始從散落在其表面的珍貴線索中拼湊出它的過去。仍然存在許多問題，即使卡西尼號功能再強大，也無法回答這些問題——這些問題現在和將來都將超出我們的能力範圍，除非我們將一艘特製的宇宙飛船送入繞月球執行的軌道，或者將著陸器降落在其表面。軌道飛行器可以完全繪製月球的重力場和地表地形圖，揭示其質量的內部分佈，包括任何地下液體層。一個配備地震儀的小型著陸器可以探測到地下液體的隆隆聲。
複雜任務的巨大成本和漫長的開發時間意味著我們必須非常有選擇性地選擇去哪裡。許多科學家渴望重返木衛二，因為木星的這顆衛星顯然也擁有一個地下海洋，可能孕育著外星生命[參見羅伯特·T·帕帕拉爾多、詹姆斯·W·海德和羅納德·格里利的“木衛二的隱藏海洋”；《大眾科學》，1999年10月]。然而，在我看來，進一步探索土衛二更有希望。因為科學家們不知道木衛二上有任何活躍的噴口，所以要對其內部進行取樣以測試是否存在生態系統，就需要鑽探到很深的深度，這是一項極具挑戰性的事業，在我們有生之年肯定不會發生。相比之下，要對土衛二的內部進行取樣，您只需飛過羽流或降落在南極地形上，抬頭張開嘴就可以了。
此外，由於土星的磁層與木星的磁層相比是貧血的，因此在土衛二上或周圍的航天器不必像木衛二軌道飛行器那樣應對嚴重的、限制任務的輻射場。最後，前往土衛二的旅程可以允許對土衛六進行串聯探索，土衛六是另一個土星目的地，可能提供對生命化學起源的觀察[參見蘇希爾·K·阿特雷亞的“火星和土衛六上甲烷之謎”；《大眾科學》，2007年5月]。
目前，我們很高興知道，人類首次對土星及其世界隨從進行的深入調查，在這個神秘小衛星的南端發現了一些奇妙的東西：一個奇妙而不平靜的地方，那裡有深邃的冰冷裂縫和高聳的幽靈般的噴泉，這是一個罕見的領域，它的發現獎勵了身心。作為行星探險家，我們別無所求。
注意：這個故事最初以標題“土衛二躁動不安的世界”印刷。