外太陽(yáng)系充滿了液態(tài)水。在木星的第四大衛(wèi)星木衛(wèi)二(Europa)的冰殼下隱藏著一個(gè)咸水海洋，其中的水比地球上所有海洋的總和還要多。土星衛(wèi)星土衛(wèi)二上的地下海洋向太空中噴射出大量的水蒸氣。有誘人的跡象表明，在木衛(wèi)三、木衛(wèi)四、土衛(wèi)六和其他遙遠(yuǎn)的衛(wèi)星上也可能存在海洋。
現(xiàn)在，另一顆衛(wèi)星似乎正在被秘密淹沒。土星的衛(wèi)星土衛(wèi)一以其與《星球大戰(zhàn)》中的死星驚人的相似而聞名，它冰冷的外殼下可能蘊(yùn)藏著液態(tài)水。如果這是真的，類似的海洋可能隱藏在人們的視線中，外太陽(yáng)系可能比以前想象的更適合居住。
2014年，科學(xué)家首次發(fā)表了證據(jù)，證明土衛(wèi)一可能是一個(gè)水世界——在長(zhǎng)達(dá)十年的辯論中，這個(gè)社區(qū)被淹沒了。包括目前在科羅拉多州博爾德市西南研究所(Southwest Research Institute)工作的行星科學(xué)家艾麗莎·羅登(Alyssa Rhoden)在內(nèi)的許多人都對(duì)這種可能性持高度懷疑態(tài)度。他們的理由很簡(jiǎn)單:土衛(wèi)一坑坑洼洼的表面沒有顯示出內(nèi)部海洋存在的跡象。和土衛(wèi)二一樣，土星的引力會(huì)攪動(dòng)土衛(wèi)一內(nèi)部的海水，導(dǎo)致表面冰層出現(xiàn)大裂縫。目前還沒有發(fā)現(xiàn)此類骨折。
現(xiàn)在形勢(shì)可能已經(jīng)逆轉(zhuǎn)。兩項(xiàng)研究，一項(xiàng)由Rhoden和他的同事完成，另一項(xiàng)由巴黎天文臺(tái)的valsamry Lainey和他的同事完成，更有力地證明了海洋的存在，甚至解釋了地球表面的難題。總之，這項(xiàng)研究表明，土衛(wèi)一可能有一個(gè)年輕且不斷變化的海洋。如果是這樣的話，它提出了一個(gè)充滿活動(dòng)的外太陽(yáng)系的前景。這種可能性是最讓羅登興奮的，他在接受Knowable雜志采訪時(shí)談到了潛在的海洋，以及為什么它對(duì)科學(xué)家來說是一個(gè)福音。
出于篇幅和清晰度考慮，本對(duì)話經(jīng)過了編輯。
我們知道什么這些隱藏的海洋呢?
在許多方面，它們看起來像我們自己的——至少它們可能是由鹽水組成的。
我們知道這些海洋世界的表面是冰的，從它們明亮的整體外觀來看，望遠(yuǎn)鏡和航天器的測(cè)量結(jié)果證實(shí)了這一點(diǎn)，探測(cè)到水冰的特征。一些海洋衛(wèi)星的密度甚至很低，可能在它們內(nèi)部的巖石中混入了水冰。在加熱的作用下，水冰融化成液態(tài)水，液態(tài)水會(huì)侵蝕巖石，形成鹽水。在土衛(wèi)二上，鹽水很方便地噴射到太空中。
考慮到外太陽(yáng)系有多冷，是什么產(chǎn)生了熱量?
遙遠(yuǎn)的海洋乍一看似乎是不可能的。在離太陽(yáng)這么遠(yuǎn)的地方，很難獲得融化冰的熱量。但由于引力的奇特作用，外太陽(yáng)系可能相當(dāng)溫暖。
想想木星和它的衛(wèi)星木衛(wèi)二。木星對(duì)木衛(wèi)二施加了強(qiáng)大的引力，使木衛(wèi)二向木星的方向拉長(zhǎng)。因?yàn)槟拘l(wèi)二的軌道是偏心的——它在遠(yuǎn)離木星之前先靠近木星——隨著時(shí)間的推移，木衛(wèi)二被拉伸和釋放。這在內(nèi)部產(chǎn)生了摩擦，提供了維持液態(tài)海洋所需的熱量。
我們第一次看到木衛(wèi)二可能存在地下海洋的跡象是在1979年旅行者號(hào)飛越木星的時(shí)候。木衛(wèi)二看起來不像我們的月球，甚至不像太陽(yáng)系內(nèi)部的大多數(shù)天體。它冰冷的表面沒有很多隕石坑，而是覆蓋著縱橫交錯(cuò)的線條和四處移動(dòng)的碎片。你不需要很費(fèi)力地去想象那里發(fā)生了什么不同的事情。
你提到了表面特征。我們還依賴哪些其他證據(jù)來探測(cè)隱藏的海洋?
一種方法是觀察磁場(chǎng)。因?yàn)辂}水是導(dǎo)電的，它可以在月球周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，擾亂地球的磁場(chǎng)。這是木衛(wèi)二存在地下海洋的重要證據(jù)。
但僅此還不夠。綜合這些證據(jù)，我們得出了海洋存在的結(jié)論。例如，我們可能還會(huì)考慮測(cè)量月球表面的鹽含量，以及月球的重力對(duì)航天器的影響。由于巖石或液態(tài)金屬的密度與液態(tài)水的密度不同，這些拖船的大小為這些物質(zhì)提供了線索，以及它們?cè)谠虑騼?nèi)的集中位置。
或者我們可以簡(jiǎn)單地想象月球的表面在整個(gè)軌道上如何改變方向。一般來說，這些小衛(wèi)星總是對(duì)著它們的母行星，就像我們的月球一樣。但是當(dāng)月亮在軌道上運(yùn)行時(shí)，它指向的方向會(huì)前后移動(dòng)一點(diǎn)——在可見部分產(chǎn)生抖動(dòng)。搖擺的程度取決于內(nèi)部。海洋上的冰殼比巖石上的冰殼移動(dòng)更自由，所以變化往往更大。這就是在土衛(wèi)二上探測(cè)到海洋的方法。這是土衛(wèi)一上存在海洋的最佳證據(jù)之一。
讓我們談?wù)劇Ｍ列l(wèi)一。你是怎么開始研究月球的?
2014年關(guān)于土衛(wèi)一的論文發(fā)表時(shí)，我已經(jīng)花了十年左右的時(shí)間研究木衛(wèi)二和其他冰冷的衛(wèi)星。那篇論文測(cè)量了衛(wèi)星可見部分移動(dòng)時(shí)的擺動(dòng)，表明土衛(wèi)一要么擁有地下海洋，要么擁有形狀奇怪的核心。
但是海洋似乎是不可能的。土衛(wèi)一看起來很像我們的月球，表面有很多隕石坑。它不像木衛(wèi)二那樣有縱橫交錯(cuò)的線條或破碎的碎片。它當(dāng)然不像土衛(wèi)二那樣噴出間歇泉。所以我看了一眼土衛(wèi)一，我說:“它不可能是一顆海洋衛(wèi)星。”然而我意識(shí)到我無法反駁這個(gè)觀點(diǎn)。
多年來，我一直記著土衛(wèi)一，最終在2023年的《地球與行星科學(xué)年度評(píng)論》上發(fā)表了一篇論文。那篇論文排除了幾種海洋的可能性，只留下了一個(gè)選擇，那就是在土衛(wèi)一形成后不久形成的海洋。年輕的海洋可能是隱秘的。但這仍然只是一個(gè)假設(shè)。
最近的工作如何改變了這種情況?
早在2024年，valsamry Lainey和他的團(tuán)隊(duì)報(bào)告了新的觀測(cè)證據(jù)，證明土衛(wèi)一上存在海洋。他們觀察的不是振動(dòng)，而是土衛(wèi)一軌道隨時(shí)間的變化——這種變化取決于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。他們發(fā)現(xiàn)，這些變化不能用形狀奇怪的地核來解釋，所以海洋是最可行的選擇。
我的團(tuán)隊(duì)在6月份發(fā)表的研究，進(jìn)一步解釋了地表沒有可見裂縫的原因。我們認(rèn)為海洋太年輕了——只有1000萬年的歷史——直到最近才停止生長(zhǎng)。我們認(rèn)為，年輕的翻騰海洋的潮汐壓力可能不足以破裂上面的冰。相反，我們需要的是海洋最終重新結(jié)冰時(shí)所帶來的壓力。因?yàn)殡S著時(shí)間的推移，土衛(wèi)一的軌道變得不那么偏心，它會(huì)失去熱量，重新凍結(jié)——這在土衛(wèi)一上才剛剛開始——會(huì)導(dǎo)致上面的冰破裂。
研究表明，最終土衛(wèi)一可能會(huì)失去它的海洋，這有點(diǎn)令人悲傷，因?yàn)樗鼊倓偙话l(fā)現(xiàn)。但另一方面，土衛(wèi)一可能會(huì)成為新的土衛(wèi)二——土星最冷的新衛(wèi)星——有很深的裂縫，甚至可能有水流。
這項(xiàng)研究的總體意義是什么?
從地球物理的角度來看，我對(duì)此很感興趣。我們認(rèn)為太陽(yáng)系最早的時(shí)期是炎熱的時(shí)期，所有的活動(dòng)都在這個(gè)時(shí)候發(fā)生，然后一切都朝著更安靜的狀態(tài)發(fā)展。冥王星的衛(wèi)星冥衛(wèi)一可能失去了海洋。木衛(wèi)二和木衛(wèi)三的海洋相當(dāng)古老。一顆衛(wèi)星可以在它的歷史上形成一個(gè)新的海洋，我們可以看到嗎?那是令人興奮的!它開啟了一種可能性，即任何星球，包括那些有著古老的隕石坑表面的星球，都可能經(jīng)歷類似的轉(zhuǎn)變。
人們對(duì)可居住性也很感興趣，即這些海洋是否適合生命生存。我們目前還不知道太陽(yáng)系的海洋，除了我們自己的海洋，是否適合居住，曾經(jīng)有人居住或正在有人居住。但如果土衛(wèi)一真的有海洋，我們就有機(jī)會(huì)了解這些世界是如何發(fā)展的，甚至棲息地是如何創(chuàng)造和失去的。能夠看到這些過程的發(fā)生是令人興奮的，而不是總是看到很久以前發(fā)生的事情的最終狀態(tài)。
接下來的任務(wù)能告訴我們更多嗎?
歐洲航天局已經(jīng)發(fā)射了木星冰衛(wèi)星探測(cè)器(Juice)，它將對(duì)木衛(wèi)二以及顯示有海洋跡象的衛(wèi)星木衛(wèi)三和木衛(wèi)四進(jìn)行詳細(xì)觀察。在2024年秋天，美國(guó)宇航局將把木衛(wèi)二快船送入木星軌道，以確定木衛(wèi)二是否有適合生命生存的條件。
天王星系統(tǒng)是美國(guó)宇航局未來任務(wù)的重要議程，我認(rèn)為這對(duì)最近的工作最有意義。它與土星系統(tǒng)驚人地相似，包括擁有類似于土衛(wèi)二和土衛(wèi)二的富含冰的中型衛(wèi)星。如果在土衛(wèi)一上有一個(gè)年輕的海洋，那么考慮在天王星的衛(wèi)星上也可能存在水世界就不是一個(gè)很大的飛躍了。
本文最初發(fā)表于《年度評(píng)論》旗下的獨(dú)立新聞雜志《可知雜志》。注冊(cè)時(shí)事通訊。
