科學家和美國宇航局官員在週四的新聞釋出會上表示，太陽系外圍的兩顆衛星——木星的木衛二和土星的土衛二——正成為在太陽系其他地方尋找生命方面毋庸置疑的首選目標。在這兩顆衛星的冰殼之下，都有著深邃的全球性液態水海洋，它們依靠所環繞的氣態巨行星的潮汐引力而保持溫暖。這些海洋中是否有生物存在仍然未知，但或許不久後就會揭曉。
在土衛二上，美國宇航局的卡西尼號宇宙飛船在從海洋透過月球表面冰層裂縫噴發到太空的水蒸氣羽流中發現了分子氫——一種細菌的潛在食物來源，也是熱液活動的跡象。在木衛二上，地球上的望遠鏡也發現了類似的羽流跡象，追蹤到一個似乎重複出現的羽流——太陽系外圍的“老忠實”，追溯到月球表面一個神秘的熱異常點。這兩項發現有力地支援了將未來尋找生命的探測任務送往這兩顆衛星，作為美國宇航局新興的“海洋世界”行星探索計劃的一部分。
美國宇航局行星科學部門主管吉姆·格林說：“這些‘海洋世界’剛剛被發現。它們就在我們的太陽系中。我們需要探測它們，因為我們認為它們是當今可能存在生命的最佳地點之一。”
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土衛二上的自由能源
自卡西尼號在2004年抵達土星後不久首次發現土衛二的羽流以來，它一直在定期穿過土衛二的羽流。這些羽流完全出乎意料——沒有人預料到這顆小型衛星上會有如此強烈的活動，它的大小大約相當於英國。飛船利用車載質譜儀嗅探羽流，發現它們不僅含有水蒸氣，還含有氨、二氧化碳和甲烷等微量氣體。它還尋找了氫，因為地球深海中的微生物利用氫與二氧化碳的反應來獲得“自由能源”以驅動其新陳代謝。該反應產生甲烷作為副產品。2009年，當有報道稱卡西尼號的質譜儀在羽流中發現了氫的跡象時，關於土衛二上的“產甲烷”微生物的討論短暫地激增。但是，研究小組的成員將該訊號追溯到水蒸氣以每秒超過17公里的速度撞擊儀器鈦壁時發生分解。對於這項發表在《科學》雜誌上的最新研究，研究小組設法以較慢的速度將羽流物質送入卡西尼號的質譜儀，而無需接觸到儀器壁，從而排除了其他產生來源，並可以觀察到從月球海洋中釋放出的任何氫。他們的發現讓他們感到震驚：氫氣佔羽流的1%至2%，這足以作為微生物生命的自由能源來源。
海德堡大學行星科學家弗蘭克·波斯特伯格說：“1%或2%對大多數人來說聽起來不多，但實際上非常多，這是一個驚人的數量。”他研究土衛二的羽流，但沒有參與這項新研究。“分子氫在地球上幾乎找不到，因為它非常輕且易揮發——它會被蟲子吃掉，或與其他物質發生反應，或只是漂浮到太空中。”研究人員認為，如此大量的氫必須在月球內部的某個地方不斷補充。在地球上，分子氫主要來自無生命的過過程，例如當熱水在富含鐵或有機分子的岩石中迴圈時。這會釋放出氣體，這些氣體可以在海底熱液噴口處流出，為形成光線不足的生態系統的食物鏈基礎的產甲烷細菌提供營養。研究人員認為，在土衛二上，也必須發生類似的熱液活動。
這項研究的主要作者、德克薩斯州聖安東尼奧市西南研究所 (SWRI) 的研究員亨特·韋特說：“這種自由能源對土衛二來說確實是一個遊戲規則改變者。分子氫的存在表明，那裡存在支援像產甲烷微生物這樣的代謝系統的化學潛力。這表明我們發現了一種潛在的食物來源，可以支援土衛二內部海洋的宜居性。”
土衛二內部的任何生命是否能夠真正利用分子氫作為食物來源還有待觀察。SWRI的地球化學家、該研究的合著者克里斯托弗·格萊恩說：“你必須知道實際有多少自由能源——這種食物來源的卡路里是多少？”微生物可以從氫氣中獲得多少能量可能取決於關於這個隱藏的海洋的許多未知資訊——其溫度、鹽度和鹼度，以及磷和硫等其他營養物質的可用性。“土衛二正在向我們展示，‘這裡是供應’。但關鍵問題是，‘需求是什麼？’”
波斯特伯格說，土衛二富含氫氣可以被視為該衛星沒有生命的跡象。“如果你問我的話，它可能有點太多了。如果海洋中到處都是小生物，它們喜歡吃分子氫，它們可能不會讓那麼多氫到達地表並進入太空。”即便如此，氫的豐富也不能排除生物學的可能性，他說：“除了產甲烷之外，還有許多不同的新陳代謝型別——而且產甲烷可能只發生在海洋的區域性區域。”
韋特說，氫氣如此之多，它可能只是壓倒了土衛二內部任何生物的食慾。“你可以這樣想——你坐在家裡，他們每小時送來一個披薩。在某個時候，你會放棄吃披薩，它會無處不在。可能只是有太多的食物無法吃完。”
木衛二上的老忠實
卡西尼號對土衛二羽流的發現和持續的仔細觀察是推動人們對木衛二進行類似推測的關鍵因素。木衛二是一顆更龐大的衛星，比冥王星更大，因此更有可能擁有足夠的內部熱量來驅動熱液過程和羽流。據認為，它的海洋擁有比地球上所有海洋更多的水，其冰殼厚度可能為15或25公里。然而，對木衛二的研究僅限於在地球上或太空中使用望遠鏡的觀測，並結合來自美國宇航局伽利略號軌道飛行器的檔案資料。伽利略號在1995年至2003年期間繞木星執行，多次飛越木衛二。（目前唯一在木星的探測任務——美國宇航局的朱諾號宇宙飛船，其軌道距離木衛二很遠，不適合對這顆衛星進行詳細觀測。）
木衛二羽流的第一個明顯跡象出現在2012年，當時由西南研究所天文學家洛倫茲·羅斯領導的哈勃太空望遠鏡觀測到木衛二南極周圍有一層水蒸氣霧霾。這些早期的觀測在2016年得到了加強，當時由馬里蘭州巴爾的摩市太空望遠鏡科學研究所的威廉·斯帕克斯領導的一個團隊在更多的哈勃資料中發現了更多潛在的羽流。斯帕克斯的研究採取了不同的方法，當月球在木星明亮的面孔前呈現輪廓時，使用紫外線尋找從木衛二表面噴發出的羽流的黑色陰影。該研究揭示了幾個似乎幾乎隨機地從木衛二表面湧出的羽流候選物件。然而，現在，其中一個可能已經被觀察到第二次噴發。這些發現發表在《天體物理學雜誌通訊》上。
斯帕克斯說：“當我們看到復發時，我們非常興奮。因為如果你有一個難以觀察且間歇性的現象，如果它真的重複出現，那麼一切都會突然改變。它改變了這是真實的可能性的平衡。”
候選羽流首次出現在2014年3月拍攝的哈勃影像中；去年2月拍攝的另一張單獨影像顯示，另一個陰影狀的羽流狀特徵從月球赤道附近的一個小區域噴發，該區域位於一個名為普維爾的中型年輕隕石坑的西北部。根據卡西尼號對土衛二的研究（顯示該衛星的羽流來自相對於冰冷表面而言“熱”的噴口），斯帕克斯的團隊在從伽利略號資料得出的木衛二夜間側熱圖中檢查了該區域。
美國宇航局伽利略號宇宙飛船拍攝的這些木星衛星木衛二的影像突出了月球冰冷表面上的熱異常。左圖中的綠色橢圓輪廓標出了美國宇航局哈勃太空望遠鏡在2014年和2016年再次探測到的潛在水蒸氣噴發羽流的可能來源位置。右側的熱圖顯示，羽流的可能來源與木衛二表面一個異常溫暖的區域重疊。來源：美國宇航局、歐洲航天局、W. Sparks (STScI) 和 USGS 天體地質科學中心
斯帕克斯說：“令我們驚訝的是，我們發現了一個熱異常點正好在我們剛剛確定潛在重複羽流的位置上。我認為我們現在已經超越了在哈勃望遠鏡能力邊緣看到幾個有趣特徵的階段，達到了現在必須傾向於（這些羽流）是真實存在的地步。”
假設這種對齊不是巧合，並且哈勃觀測到的特徵實際上是羽流，斯帕克斯和他的團隊提出了兩種可能的解釋。“一種可能性是冰層下存在液態水，其熱量向上流動，導致熱異常，並且地表出現裂縫，從而導致羽流活動，”斯帕克斯說。這種“內部熱”解釋表明水僅在地表下兩公里處。另一種可能性是，從下方噴發的羽流透過改變該區域的“熱慣性”來產生異常。也就是說，羽流可能會改變地表冰的紋理和緊密度，形成緻密、被雪覆蓋的冰塊和巨石，這些冰塊在被遙遠太陽的光線加熱後，冷卻速度比周圍環境慢。
無論哪種情況，羽流的來源都可能是由破裂、雜亂的冰構成的“混沌區域”，這些區域太小，無法在伽利略號的影像中顯示出來。研究合著者、佐治亞理工大學的行星科學家布里特妮·施密特開發了一個此類區域形成的模型，該模型表明這些區域與地殼中表面和內部海洋之間的淺層液態水庫有關。“隨著時間的推移，可能會形成水袋，並慢慢開始使地表破裂，”施密特說。“這可能就是其中之一。你會期望該區域更溫暖，但在地表裂開之前，你不會看到太多任何活動的表面表現。”
斯帕克斯和他的同事們已經在設計其他方法，以便更深入地觀察木衛二潛在的羽流——不僅使用哈勃望遠鏡，還使用其他在不同波長下工作的望遠鏡。美國宇航局的紅外詹姆斯·韋伯太空望遠鏡計劃於2018年發射，它有可能解決關於木衛二羽流的爭論，斯帕克斯已經預定了該機構目前正在執行的索菲亞平臺的觀測時間，這是一個安裝在改裝的波音747飛機上的紅外望遠鏡。
與此同時，其他天文學家已經開始檢查他們自己的資料，以尋找木衛二上老忠實噴泉式羽流的佐證證據。在得知這一發現後，加州理工學院的天文學家邁克爾·布朗與研究生薩曼莎·特倫博一起，匆忙檢查了他們最近使用歐洲南方天文臺在智利的阿塔卡瑪大型毫米/亞毫米陣列（ALMA）製作的木衛二向陽面的熱圖。熱點也出現在他們的資料中。
布朗說：“（斯帕克斯團隊的）熱點確實是木衛二上比較奇怪的地點之一。”“它實際上比我們預測的向陽面要冷一些，而且溫度在伽利略號夜間測量時變化不大。所以：內部熱？也許。巨大的熱慣性？也可能。”布朗說，在未來幾個月內對ALMA的木衛二向陽面熱圖進行進一步分析，可以透過將其與伽利略號以前的夜間觀測結果進行比較來闡明熱點的來源。
未來的展望
然而，最終，木衛二和土衛二的奧秘可能需要派遣更多的航天器前往那裡。
美國宇航局已經在開發木衛二快帆號，這艘航天器計劃在2020年代發射，對木星的衛星進行45次飛掠，並配備最先進的儀器，這些儀器可以確認其假定的羽流，並將它們與宜居條件聯絡起來——或許還有隱藏在下方海洋中的生命。在眾議院議員約翰·卡爾伯森（R-德克薩斯州）等有力倡導者的推動下，該機構還在考慮一個尋找生命的木衛二表面著陸器，儘管特朗普政府的預算提案沒有為後一個專案提供資金。此外，歐洲航天局的木星冰衛星探測器——也稱為JUICE——將在2024年進入這顆氣態巨行星的軌道時研究木衛二。
關於土星的計劃不太確定：在土星系統周圍航行了十多年之後，卡西尼號任務現在燃料嚴重不足。即使它的燃料箱滿了，它的儀器現在也是老古董，它們的設計初衷並非為了近距離詳細研究羽流之類的現象。任務規劃人員將在今年9月將該航天器墜入土星大氣層，正是為了避免用任何地球生物的痕跡汙染土衛二和其他有希望的土星衛星。今年秋天，在卡西尼號的烈火消亡之後不久，美國宇航局將為其“新前沿”計劃選擇一項新的行星際任務。但是，將航天器送往土衛二的多個提案將不得不與許多針對不同目的地的提案競爭。
施密特說：“這裡的真正故事是，我們有機會為木衛二做我們已經為土衛二做過的事情。”“如果我們能讓快帆號到達木衛二，那將非常酷。如果美國宇航局的新前沿計劃選擇土衛二任務呢？那麼我們就可以在兩個地方進行相同的科學研究。在木衛二，快帆號將能夠做到，老實說，我們希望現在能在土衛二做的事情。”