NO.2489-目標土衛二
文字：行星不發光
校稿：辜漢膺 / 編輯：蛾
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2022年10月，中國科學技術大學郝記華團隊通過計算模型模擬了土衛二地下海洋的化學成分，首次揭示了土衛二海水中可能含有豐富的磷元素。
2023年5月17日，Villanueva等人利用詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）對土衛二進行觀測，研究結果表明土衛二噴出的羽流長達10000km，約為土衛二直徑的20倍（如圖2）。
土衛二有機分子和冰粒進入羽流的過程
（圖：NASA/JPL）▼
羽流的主要成分為水蒸氣，其中噴射到空間中的物質中大約30%進入土星的E環，70%則散佈在土星系統的其他位置。
2023年6月14日，《自然》雜誌發表了關根康仁團隊的研究結果。該研究分析了卡西尼號探測器收集的土星E環中粒子的化學成分，發現E環中的冰粒富含磷酸鈉，並估計土衛二地下海洋的磷濃度約為1-20 mmol/kg，至少是地球海洋磷濃度的100倍。
卡西尼號的宇宙塵埃顆粒分析儀通過對9個單冰粒的分析，獲得了它們的光譜圖。圖中右下為疊加後的光譜圖，在鈉鹽和磷酸鹽對應的位置存在明顯峰值，表明E環中含有豐富的磷元素。
(圖:Yasuhitoet al2023)▼
隨著土衛二上磷元素的發現，行星科學家和大眾開始重新關注這顆冰冷的衛星。土衛二在如此冰冷的環境中為什麼會存在液態水海洋？土衛二上磷酸鹽的發現意味著什麼？
此外，目前人類對土衛二的了解來自哪裡？科學家對可能存在地外生命的行星的關注，是否會產生進一步的探測計劃？
土衛二，長這樣（圖：wiki）▼
卡西尼探測器與土衛二
目前，人類對土星系統的認知主要來自於卡西尼–惠更斯號（Cassini-Huygens）。該太空探測器的任務是由美國宇航局（NASA）、歐洲宇航局（ESA）和義大利宇航局（ASI）合作執行的。
卡西尼-惠更斯號於1997年10月15日發射升空，2004年7月抵達土星軌道。同年12月25日，卡西尼號和惠更斯號分離。
次年1月14日，惠更斯號成功著陸土衛六，並傳回資料。而卡西尼號則在軌運行了13年，傳回了大量資料，是人類目前了解土星系統的主要資訊來源。
卡西尼-惠更斯號發射（圖：wiki）▼
卡西尼在軌的13年間，傳回了大量的資料資料，目前行星科學家仍未分析完其傳回的資料。下面我們來簡單梳理一下人類對土衛二的不斷認識過程：
1.1980年11月，旅行者1號發現土衛二位於土星E環密度最高的位置；
2.1981年8月，旅行者2號發現土衛二表面既存在古老的撞擊坑，又存在年輕的地貌構造；
土衛二上的破損撞擊坑（圖：wiki）▼
3. 2005年2月，卡西尼號的宇宙塵埃分析儀記錄了數千次來自微小塵埃或冰粒的撞擊，證實了E環是由冰粒組成的寬環；
土衛二與土星E環（圖：NASA）▼
4. 2005年7月，卡西尼號獲得了土衛二南極地區的圖像。圖像顯示其表面存在活躍的地質活動，並發現了巨大且溫度較高的裂縫，也被稱為「虎紋」。
卡西尼號在12-16微米波段觀測到的熱成像圖
土衛二南極地區存在四條溫度明顯較高的裂縫
（圖：NASA/JPL/GSFC/SSI）▼
5. 2006年，卡西尼對土星的E環進行了觀測，證明了土衛二上的間歇泉噴射的物質是E環的主要物質來源。同年，卡西尼的高解析度圖像結合其他資料推測土衛二南極地下存在液態水海洋。
6. 2007年10月，卡西尼號搭載的符合紅外光譜儀獲得資料表明幾乎所有間歇泉均來自土衛二南極溫度較高的四條裂紋附近。
土衛二南極地區間歇泉的形成
（示意圖，圖：NASA）▼
7. 2008年3月，卡西尼號上的離子與中性粒子質譜儀（Ion and Neutral Mass Spectrometer, INMS）對土衛二的羽流進行分析後，檢測到了水蒸氣、二氧化碳、一氧化碳和有機分子
(大多為低於50原子質量單位的簡單有機化合物)。
8. 2008年8月，卡西尼號精確地定位了羽流從土衛二表面噴發的位置。圖像顯示土衛二表面的裂縫深約300 m，內壁呈V形，在裂縫外側有大量細小物質的沉積物和數十米大小的冰塊。同年12月，發現土衛二更多的地質活動，如冰殼的定向擴散。
土衛二的裂縫橫截面結構示意圖
（圖：NASA/JPL）▼
9. 2009年6月，卡西尼號在土星最外層環的冰粒中檢測到了鈉鹽。同年9月，在羽流中發現了氨。
10. 2010年2月，卡西尼團隊發現土衛地表二壓力最大的區域與紅外地圖上最熱的區域並不完全重疊，推測土衛二在自轉時自轉軸存在輕微的擺動。
土衛二噴射出的羽狀物（圖：wiki）▼
11. 2014年4月，Less等人利用卡西尼飛掠土衛二時的多普勒頻移資料繪製了其內部結構圖。研究結果表明土衛二在30-40公里的冰層下存在10公里深的液態水海洋，地下海洋從南極延伸至中南緯度地區，其含水量相當於一個蘇必利爾湖。
同年7月，發現土衛二表面上的101個間歇泉與其地下海洋相連接，這些間歇泉為研究地下海洋的宜居性提供了樣本。
12. 2015年3月，卡西尼號的宇宙塵埃分析儀資料表明富含矽的微小岩石顆粒是土衛二中溶解了礦物質的熱水向上運動與較冷的水接觸時形成的。
土衛二表面的間歇泉（想象圖，圖：NASA）▼
13. 2016年，科學家利用卡西尼號七年的觀測資料精確地確定了土衛二的旋轉狀態，並推測土衛二冰層下存在全球液態水海洋而非局部極地液態水海洋。
14. 2017年4月，卡西尼的離子和中性質譜儀在土衛二的羽流中檢測到大量的氫，大量的氫氣表明土衛二存在連續的加熱過程。
同年9月，為了避免可能附著有地球的微生物汙染土星衛星環境，卡西尼號主動墜入土星大氣，燃燒殆盡。
卡西尼號的隕落（想象圖，圖：NASA）▼
15. 2017年11月，法國南特大學的行星科學家蓋爾·喬佈雷特團隊利用卡西尼號航天器返回的資料和在地球上的工程實驗資料對土衛二的內部結構和液態水循環進行了模擬，解釋了土衛二南極地區的羽流現象。
卡西尼號穿越土衛二的羽流（圖：NASA）▼
16. 2018年，Postberg等人分析了卡西尼號的宇宙塵埃顆粒分析儀對土衛二羽流的探測資料，發現了較複雜的高分子有機化合物（分子質量超過200原子質量單位）。
目前，行星科學家不僅確定了土衛二上具備了構成生命六大基本元素——碳、氫、氧、氮、硫和磷，而且有適合生命存在的地下液態水海洋。因此，土衛二成為太陽系中最可能存在生命的天體之一。
土衛二夜空想象圖（圖：wiki）▼
土衛二（Enceladus）是土星第六大的衛星，距離土星由近及遠排序位居第14。
1789年8月，威廉·赫歇爾首次通過1.2m的望遠鏡發現的第二顆土星衛星，故被稱為土衛二，其平均直徑約為505公里，相對較小。
他也是天王星的發現者（圖：wiki）▼
土衛二表面的幾何反照率高達138%，且其處於太陽系的雪線（雪線也叫凍結線，在天文學或行星科學中，是指距離中心原恆星的特定距離，在那裡足夠冷，可以讓會揮發的化合物，如水、氨、甲烷、二氧化碳和一氧化碳等凝結成固體冰粒。在太陽系中，雪線位於小行星帶和木星軌道之間。）之外，這使其表面的平均夜間溫度僅為-196℃，較其他土星衛星更冷。
另一方面，這樣大小的衛星通常無法在內部儲存或產生足夠的熱量，所以它本應該是一個完全被凍結的固體，但土衛二並非如此，在寒冷的冰殼下存在液態水海洋。
土衛二與英國的大小比較（圖：NASA）▼
土衛二液態水海洋的成因
土衛二(Enceladus)存在地下液態水海洋的主要原因是潮汐
加熱。當土衛二繞土星運動時，由於繞行軌道具有偏心率，土星的引力會週期性地將土衛二「搓扁捏圓」，導致其內部受到「擠壓拉扯」而產生大量且持續的熱能。
此外，由於土衛二形狀不規則，土星引力會對其產生一個淨力矩而迫使土衛二發生擺動，這也會在土衛二內部產生大量熱，這股熱量主要集中在南極地區。
科學家通過模型模擬了這種引力攝動，發現這種擺動的對應的表面最大應力範圍正好與南極區域一致。
熱成像圖中，土衛二熱量主要集中在南極地區
（圖：NASA/JPL）▼
為了更好的解釋土衛二的產熱機制。2017年11月，法國南特大學的行星科學家蓋爾·喬佈雷特團隊作出一種假設——土衛二的岩石核心是具有高孔隙率的，且是鬆軟的，類似海綿狀的核心。它在土星潮汐引力的作用下，會產生持續且穩定的摩擦熱（潮汐加熱是一個比較穩定的加熱過程，如果岩石核心的岩漿粘稠，則潮汐引力產生更多的摩擦熱，如果溫度升高，岩石核心的岩漿容易流動，潮汐引力產生摩擦熱則減少）。
通過計算機模擬發現，其產生的熱量高達10GW，足夠土衛二地下海洋保持液態持續數千萬年到十億年。
模擬還表明，核心的兩極應該對應冰殼比較薄的區域。這可以很好地解釋土衛二南極地區的活躍性，但無法解釋為什麼北極沒有類似的羽流。
土衛二由於潮汐加熱而產生的間歇泉
（圖：NASA/JPL/SSI）▼
噴氣推進實驗室（JPL）的Dennis Matson博士等人認為，潮汐加熱仍不足以解釋其可以產生液態水並形成水蒸氣噴射至太空中，產生和維持卡西尼觀測到的溫度和噴流過程需要更多的熱。
他們引進了一個新的模型。該模型認為，土衛二的熱量來自於放射性衰變放熱和潮汐加熱。通常認為放射性衰變會在太陽系形成後不久就損失掉大部分熱量，土衛二由於某種原因保留了這些熱量。該模型還預言了土衛二目前仍處於一個冷卻階段，可能會持續十億年左右。
土衛二表面的紋理（圖：NASA）▼
土衛二發現磷酸鹽，意味著什麼？
磷元素是遺傳物質DNA/RNA、儲能化合物三磷酸腺苷/ATP和細胞膜的重要成分之一。而土衛二上發現磷元素，補齊了生命存在所需的最後一塊拼圖。這意味著土衛二具備幾乎所有生命存在所必需的條件。
更重要的是，土衛二地下液態水海洋中富含可溶解的磷，這很容易孕育生命。目前，研究估計土衛二液態水海洋中磷元素的濃度是地球海洋的100–1000倍。磷元素在水體中的濃度影響著生物的生長和繁殖，例如富營養化的湖泊會導致藻類大量繁殖。
比如Landsat 8拍攝的聖克萊爾湖衛星圖像
圖中充滿了大量的綠色藻類（圖：NASA）▼
在地球的海洋中，正是由於大量的生物存在，使得海洋中的磷被消耗到一個很低的濃度；如果土衛二上真的存在生命，那麼為什麼其液態水海洋中的磷含量如此高？
這或許暗示土衛二上根本就沒有生命，或者生命只能以非常緩慢的速度代謝。
然而，這種磷含量如此高的液態水海洋對於任何潛在的外來生物都是一個好訊息，未來或許也是人類最好的中轉站或補給站之一。
土衛二的結構，如圖所示
（圖：Jihua Hao, et al. 2022）▼
需要注意的是，探測到的磷酸鹽來自土星的E環，並非直接來自於土衛二的羽流或者土衛二地表。儘管基本可以確認土衛二地下液體水海洋存在磷酸鹽，但我們仍需保持謹慎。
未來，如果有新的探測器對土衛二進行抵近探測和取樣研究，不僅可以驗證土衛二地熱機制，而且能確認土衛二地下液態水海洋是否存在生命。這對尋找地外生命具有重要意義。
土衛二和地球、月球的大小（圖：wiki）▼
在太陽系中，包括但不限於金星、火星、土衛二，土衛六和木衛二等，都是可能存在地外生命的天體。
在火星上發現了水，行星科學家便開展了毅力號火星探測任務；在金星上發現了磷化氫分子，行星科學家便設計了達文西號探測器（DAVINCI+）、金星-D任務和VERITAS任務等。
探索無止盡（圖：NASA）▼
如今，在土衛二上發現了可被生命吸收的磷酸鹽，而對應的探測計劃尚未提上日程。在行星科學家的「新歡舊愛」中，唯一不變的就是他們探索和研究地外生命的執著。
儘管卡西尼號退役後，還沒有後繼者，但「冰月計劃」JUICE已於2023年4月14日發射，其主要任務目標是探測木星系統，包括但不限於木衛二、木衛三和木衛四的地下液態水海洋。
「冰月計劃」Juice號探測器的行程計劃
（圖：EAS）▼
土衛二和木衛二具有類似的環境，對木衛二的探測，將有助於人類了解這些冰衛星地下液態水海洋，以及是否存在地外生命。
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1. Villanueva G. L., Hammel H. B., Milam S. N., et al. JWST molecular mapping and characterization of Enceladus’ water plume feeding its torus. Nature Astronomy, 2023
2. Frank P., Yasubito S., Fabian., et al. Detection of phosphates originating from Enceladus’s ocean. Nature, 2023. DOI:10.1038/s41586-023-05987-9.
3. Hao J. H., Christopher R. G., et al. Abundant phosphorus expected for possible life in Enceladus’s ocean. Earth, Atmospheric, and Planetary Sciences. 2022. DOI:10.1073/pnas.2201388119
4. https://solarsystem.nasa.gov/news/12916/cassini-at-enceladus-a-decade-plus-of-discovery/
5. https://www.wikiwand.com/zh-hans/%E5%8D%A1%E8%A5%BF%E5%B0%BC%E5%8F%B7%E6%8E%A2%E6%B5%8B%E5%99%A8
6. http://news.bbc.co.uk/2/hi/science/nature/4895358.stm#map
7. https://www.nasa.gov/mission_pages/cassini/whycassini/cassini20100708-b.html
8. https://www.jpl.nasa.gov/news/cassini-spacecraft-reveals-101-geysers-and-more-on-icy-saturn-moon