寻求地球之外可居住世界道路上的一个重要里程碑

航天 · 2017-4-14 16:10:21

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美国宇航局的两个具有丰富观测经验的任务提供了有关木星和土星的带有海洋的冰冷卫星的新细节，这进一步提高了我们对太阳系内及其它“海洋世界”的科学兴趣。这些发现是研究人员利用美国宇航局对土星的卡西尼任务和哈勃望远镜得到的。　　在这两篇文章当中，卡西尼的研究人员宣布他们在土卫二(Enceladus)上发现了一种化学能，而它正好能够为生命提供能量来源，而哈勃数据的研究人员发现了其它一些表明在木卫二欧罗巴(Europa)上存在羽流喷发的证据。

图1：此图展示了卡西尼在2015年穿过土卫二的羽流。卡西尼和哈勃有关于新海洋世界的发现将有助于地球之外生命的未来探测和一个更广范围上的搜寻版权：NASA/JPL-Caltech　　托马斯·祖波森（Thomas Zurbuchen）是美国宇航局在华盛顿总部的科学任务总局的副局长，他说，“到目前为止，我们已经找到了距离我们最近并且包含有宜居环境所需要的成分的地方。这些发现给我们展示了美国宇航局科学任务的内在关联性，让我们距离’我们在宇宙中是否孤独的问题’答案越来越近。”　　这篇来自于卡西尼任务的文章发表在了美国的《科学》杂志上，文章表明因为海洋底部的热液活动，可能作为生命化学能量来源的氢气正在被不断地注入到地下海洋中。

图2：此图展示了卡西尼的研究人员认为位于土卫二海洋底部的岩石如何与水相互作用产生氢气的过程。版权：NASA/JPL-Caltech　　在卫星海洋中存在充足的氢气这就意味着微生物（如果它们存在的话）有可能会通过氢气与溶解于水中的二氧化碳相结合来获得能量。因为这个化学反应的副产物为甲烷，所以这种化学反应也被称为“产甲烷（methanogenesis）”，而在地球上甲烷是生命之树的根源，甚至可能对我们星球上的生命起源也是至关重要。　　我们现在知道，生命所需要三个主要成分是：液态水，新陈代谢的能量来源，和合适的化学成分（主要包括碳，氢，氮，氧，磷和硫）。这次的卡西尼发现已经表明，土卫二 —— 距离太阳十亿英里、比地球还要远的一个小而冰冷的卫星—— 几乎也拥有宜居性所需要的所有成分。尽管卡西尼的数据没有显示出磷和硫存在于海洋中，但是研究人员怀疑它们应该是存在的，因为土卫二的岩状核心被认为和包含有这两种元素的陨石从化学组成上来看是相似的。　　在加州帕萨迪纳的美国宇航局喷气推进实验室（JPL）中工作的卡西尼项目科学家琳达·斯皮尔（Linda Spilker）说：“在土星的小卫星上，发现生命存在所需要的化学能是我们寻求地球之外可居住世界道路上的一个重要里程碑。“　　在2015年10月28日，是最后、也是最深入一次穿行过土卫二喷发出来的气体和冰冷物质构成的羽流的过程当中，卡西尼号探测器检测到了氢气。在早些时候在掠飞过程中，卡西尼也对羽流的组成进行了采样。在这些观测中，研究人员已经确定羽流中近98％的气体是水，约1％是氢气，其余的是包括二氧化碳，甲烷和氨在内的其它分子的混合物。　　这些测量都是使用的是卡西尼的离子和中性质谱仪（INMS），该仪器是通过检测气体以确定其组成。 INMS本来是准备对土星卫星泰坦的上层大气进行抽样。然而卡西尼在2005年发现了高耸的羽流（产生于靠近南极的热的裂缝）之后，科学家将其探测器转向了这个小的卫星。　　卡西尼最开始并不是想来探测土卫二羽流当中的生命迹象，实际上，研究人员并不知道羽流是存在的，只有等到探测器到达土星之后才发现的。　　此项卡西尼研究的第一作者亨特·维特（Hunter Waite）说：“虽然我们目前还无法检测到生命，但我们发现了食物来源的存在，它就像一个微生物的糖果店。”　　新的研究结果可以作为独立证据，证明在热带海洋中发生水热活动。以前发表于2015年3月的结果表明热水正在与海底岩石相互作用。而新发现支持了这一结论，并补充说明岩石还在通过化学反应产生氢气。

图3：这张合成图显示了一个可能的羽流喷发物，彼此相隔两年，都是来自于木星卫星欧罗巴的同一个区域。这两个羽流是当欧罗巴通过木星前面的时候，由哈勃望远镜在紫外波段所观测得到。版权：NASA/ESA/STScI/USGS　　有关于哈勃望远镜的新发现发表在了美国的“天体物理学快报”（The Astrophysical Journal Letters）杂志上，它报道了2016年对于欧罗巴的一些观测结果，看到了从卫星表面喷发而出的可能羽流物质，位置和哈勃在2014年看到羽流位置完全相同。　　此次新观测到的羽流一直上升到欧罗巴表面约62英里（100公里）的地方，而在2014年观察到的羽毛估计之延伸到30英里（50公里）。两者都对应于非常温暖的区域位置，看起来像是卫星冰壳上的一些裂缝，美国宇航局伽利略探测器在20世纪90年代末期的时候曾经看到过。研究人员推测，类似于土卫二一样，这可能是卫星内部水喷发的一个证据。

图4：绿色高亮椭圆形区域显示了哈勃在欧罗巴上所看到的羽流。这块区域也对应着欧罗巴表面的温热区域。这个分布图是基于由伽利略卫星观测结果所得到的。版权：NASA/ESA/STScI/USGS　　“土卫二的羽流与较热的地区相关联，所以在哈勃望远镜看到欧罗巴上类似与羽流的特征之后，我们查看了伽利略卫星热图上的那个位置。我们发现欧罗巴的羽流候选位置正好位于热异常区域之上。”美国马里兰州巴尔的摩太空望远镜科学研究所的威廉·斯帕克斯（William Sparks）说。斯帕克斯在2014年和2016年期间领导了哈勃的羽流研究。　　研究人员说，如果羽流和温暖点相连，这可能意味着从卫星的冰冷地壳下方排出的水正在加热它周围的表面。另一个想法是，羽流喷射出来的水以细雾的方式落在了卫星的表面，改变了表面颗粒的结构，从而允许它们比周围其它区域保持更长时间的热量。　　对于2014年和2016年的观测结果，该团队使用哈勃望远镜成像光谱仪（STIS）在紫外波段对羽流进行了观测。当欧罗巴从木星的前面经过的时候，欧罗巴边缘周围的任何大气特征都会阻挡木星的一些光线，从而使STIS能够看到轮廓上的特征。斯帕克斯和他的团队还在继续使用哈勃望远镜监测欧罗巴的其它羽流例子，希望能够确定它们出现的频率。　　正是基于哈勃望远镜对于欧罗巴可能的羽流活动的监测和卡西尼对土卫二羽流的长期研究，美国宇航局对于海洋世界的未来探索变得可能。特别是，这两项研究为美国宇航局的欧罗巴快船任务（Europa Clipper mission）奠定了基础，该计划是在2020年发射。　　美国宇航局总部行星科学主任吉姆·格林（Jim Green）说：“就像我们现在强烈怀疑的那样，如果欧罗巴有羽流，那么欧罗巴飞船队将为它们做好准备。”　　哈勃对似乎存在持续但间歇性羽状活动区域的确认，为之后具有强大科学仪器的欧罗巴任务进行调查提供了一个非常好的目标。此外，斯帕克斯的一些哈勃欧罗巴研究的合作者们也在准备一个强大的紫外探测器，可在欧罗巴快船任务上搭载，这样就可以做出类似与哈勃望远镜所做的测量，但距离要近数千倍。与此同时，卡西尼INMS团队的几名成员正在为欧罗巴快船任务开发更为灵敏的下一代观测设备用于飞行。

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