生命是否在歐羅巴上存在？這個木星的衛星幾十年來一直以其地殼下隱藏著廣闊且無陽光的海洋而吸引著天體生物學家。美國宇航局的繞木星飛行的“朱諾”號探測器現在的資料表明，如果這個衛星黑暗的深淵中真的潛伏著什麼，它可能會缺乏維持生命的氧氣。
儘管歐羅巴是尋找外星生命的首要目標，但它不一定是一個宜居的地方。宇航員身穿宇航服在其表面停留 24 小時，可以受到保護免受該衛星的寒冷和基本無空氣的條件影響，但仍會受到來自木星強大磁場中高速旋轉的高能粒子的持續轟擊的致命輻射劑量。然而，這種持續的轟擊也可能帶來好處：它也會非常輕微地剝落衛星的冰面，輻照並分解各種分子，從而產生更復雜的化學物質。由於歐羅巴的大部分地殼是由水冰（即我們熟悉的 H2O）組成，因此這個過程的主要副產品是氧氣和氫氣，它們要麼附著在表面，要麼升入空中，在衛星周圍形成稀薄的大氣層。其中一些物質甚至可能滲入到下方被困的海洋中，在那裡它們有可能成為生物的能量和營養來源。
普林斯頓大學的傑米·薩萊說，這使得這個寒冷的外殼“就像歐羅巴的肺”。“它在整個表面不斷產生氧氣。” 然而，歐羅巴產生多少氧氣一直是一個謎——直到現在。薩萊領導的一項新研究提供了對該衛星分子氧（我們地球人賴以生存的形式）產生的最佳估算，並發現歐羅巴製造的分子氧量非常少。結果表明，任何進入衛星內部的氧氣都將是涓涓細流，而不是滔滔洪流，這使得這種物質的稀缺成為限制那裡生命前景的潛在首要因素。
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該發現於今日發表在《自然·天文學》雜誌上，來自對美國宇航局繞木星飛行的“朱諾”號探測器發回的測量資料的分析，該探測器在 2022 年的一次短暫飛掠中“嗅探”了歐羅巴脆弱的大氣層，這還是有史以來第一次。“朱諾”號探測器的資料顯示，儘管該衛星表面大量產生氫氣，但它最多每秒只能產生 18 公斤的氧氣。
儘管這個數字聽起來可能很高，但它遠低於先前從過於簡化的計算機模型中得出的每秒約 1,000 公斤的估計值。即便如此，最新的氧氣估算值“仍然與我們所知的微生物的棲息地相符，”佛羅里達理工學院的天體生物學家馬納斯維·林加姆說，他沒有參與這項新工作。地下海洋，如歐羅巴上的那些，通常被認為缺乏營養，因為它們非常孤立；如果沒有陽光來烹飪出益生元化學物質或為生物光合作用提供動力，這些埋藏的水體可能會沒有生命。然而，林加姆說，在數億年的時間裡，緩慢積累在海洋冰蓋上的營養物質仍然有可能到達下方深處，並透過各種地質過程在內部傳輸。因此，缺乏陽光“不一定是地下海洋中生命的喪鐘。”
“嗅探”大氣層
與地球自身厚厚的、可呼吸的空氣層相比，歐羅巴的大氣層非常稀薄，已知是覆蓋在衛星表面下方一層蓬鬆的擴充套件氫氣層之上的脆弱氧氣薄層。衛星“空氣”中極少的部分是由從輻射纏繞的冰殼中滲出的氫氣和氧氣補充的；薩萊說，這些元素“有點像在表面彈跳”，“但偶爾，其中一個會彈出。” 研究合著者、科羅拉多大學博爾德分校的弗蘭·巴吉納爾說，這些表面逃逸物將歐羅巴的大氣層膨脹到“比珠穆朗瑪峰還高”。“但就大氣層而言，這已經非常稀薄了。”
當“朱諾”號探測器在 2022 年 9 月在歐羅巴的尾跡中滑行了幾分鐘時，它的 JADE 儀器（木星極光分佈實驗的縮寫）探測到大量這些被丟擲的氫原子——但僅在衛星的附近。研究合著者兼 JADE 儀器負責人、德克薩斯州西南研究所的弗雷德里克·阿萊格里尼說，這種接近性意味著“毫無疑問，它們來自歐羅巴。” 基於氫的丰度——JADE 在短暫的遭遇中計數了驚人的 1 億個原子——研究團隊逆向工程計算出總共有多少氫氣必須從衛星表面飄出，並由此推斷出必須產生的相關氧氣量。
美國宇航局噴氣推進實驗室 (JPL) 的科學家凱文·漢德說，新的結果“非常有趣”，他沒有參與這項新研究，“但氧氣只是故事的一部分。” 在之前的研究中，漢德及其同事發現，縱橫交錯在衛星表面大部分割槽域的黃色棕色粘稠物是由氯化鈉或食鹽組成的。連同其他發現，例如最近在歐羅巴表面發現二氧化碳冰，這與您期望的衛星海洋（如地球的海洋）與海底的岩石直接接觸並富含生命友好的營養物質的情況一致。在其表面發現的鹽甚至可能暗示衛星海底存在熱液噴口，這是一個誘人但尚未證實的可能性，它將像在地球上一樣，成為微生物生命的能源中心。說到鹽，漢德的研究還表明，歐羅巴冰凍地殼的部分割槽域富含硫酸鎂（瀉鹽），要麼是從下方海洋中湧出的，要麼是在其火山噴發的鄰近衛星木衛一伊娥吹來後在表面烘烤的。漢德說，地球上的微生物生命“喜歡咀嚼硫酸鹽”，因此，即使在衛星表面發現的硫酸鹽中有少量滲入下方晃盪的海洋中，“這對歐羅巴海洋的宜居性也具有巨大的影響。”
沒有氧氣的生命
地球上最早的生命可能出現在大約 40 億年前，當時還沒有大陸出現來點綴我們星球的全球原始海洋。一個主要的理論推測，生命的搖籃可能是海底的熱液噴口——類似於可能存在於歐羅巴和其他海洋冰衛星中的那些——它們提供了形成複雜有機分子所需的能量。西方安大略大學的行星科學家凱瑟琳·內什指出，地球早期生命不需要氧氣，至少在開始時是這樣。事實上，我們的星球在其生命的前半段都處於缺氧狀態。地質和基因組線索表明，當時的大多數生命都具有厭氧代謝，並依靠硫、鐵和其他海洋礦物質作為氧氣的生化替代品，以獲得生長、運動和繁殖所需的能量。地球大氣層氧氣的增加與大約 20 億年前出現的一種進化創新有關，當時稱為藍藻的微生物發展出產氧光合作用，將氣體作為其陽光碟機動的代謝的副產品釋放出來。然而，即使從那時起，大氣中的氧氣還需要再過 15 億年左右才能接近現代水平，從而促進了隨後複雜的多細胞生命的出現。
在地球歷史的大部分時間裡，它的海洋都與大氣層進行了不受限制的互動——歐羅巴等海洋無法享受到這種特權，因為它們被厚厚的冰殼覆蓋。例如，土星最大的衛星土衛六泰坦的大氣層中也含有豐富的甘氨酸，甘氨酸是生命使用的最簡單的有機化合物之一。內什領導的最新研究表明，彗星撞擊（一種關鍵的輸送機制，會在土衛六表面形成融化的冰池）僅將少量的甘氨酸（因此，大概還有其他有機化合物）傾倒入下方的海洋中。到底有多少？就甘氨酸質量而言，只有“大約一頭大象的價值，”JPL 的研究合著者邁克爾·馬拉什卡說。“這不多，但不是零。” 這對生命的前景是好訊息、壞訊息還是中性訊息尚不清楚，因為在這些衛星上出現的任何生物都可能具有極其不同尋常的生物化學——而且還因為可能有無數種神秘的方式，讓不同數量的營養物質透過冰殼進行海底遷移。“我認為任何數字都不會是絕對的破局者，”馬拉什卡說。相反，營養物質的丰度是“我們需要使我們的儀器多麼敏感才能尋找‘生命’訊號”的有用指標。
“時間快照”
無論是在評估歐羅巴、泰坦還是其他地方的生命前景時，此類研究往往只考慮“時間快照”，而不一定捕捉到世界在數十億年曆史中的變化狀態，華盛頓特區國家航空航天博物館的地質學家艾米麗·馬丁指出，她沒有參與最近的任何一篇論文。科學家們幾乎沒有關於歐羅巴或任何其他冰衛星在數十億年前是什麼樣子的確鑿資料。他們那時是否擁有宜居的海洋——或者，就此而言，他們是否擁有海洋——都是未知的。從地球（一個我們知道在其歷史中經歷了無數次深刻的全球變化的世界）推斷，“沒有理由認為任何其他行星體會在 45 億年的時間裡經歷不變的大氣層，”馬丁說。將關於這種動態世界的研究置於時間背景下“真的很難做到。”
隨著“朱諾”號探測器現在安頓在繞木星執行的軌道上，它將永遠不會再次經過歐羅巴，許多天體生物學家已經在為 2030 年做計劃，屆時美國宇航局的“歐羅巴快帆”任務預計將在五年半的旅程後抵達木星。“快帆”號與“朱諾”號非常相似，它不會繞歐羅巴或任何其他木星衛星執行。相反，它將繞氣體巨行星本身環繞，以避免在木星的硬體破壞性輻射帶中停留過久。然而，這種方法仍然可以讓軌道飛行器在四年內繞衛星飛行約 50 次，在此期間，它將繪製衛星內部結構圖並評估其地下海洋的深度。鑑於這項新研究的發現，“快帆”號甚至可以在它俯衝到歐羅巴冰凍表面上方僅 25 公里處時直接測量氧氣的丰度。這些見解將揭示更多關於這個與地球如此不同的冰冷星球上存在的複雜化學物質的潛在關鍵線索。
“我們不知道我們不知道什麼，”馬丁說。“每次我們學到新事物，我們都會發現這些地方有多麼奇怪。”