毋庸置疑，科學(xué)家一直著迷于地外生命，但就算沒有直接發(fā)現(xiàn)異星生命，地外熱液噴泉活動對于他們而言也是非常激動人心的發(fā)現(xiàn)。表明土衛(wèi)二有熱液噴泉活動的證據(jù)，同樣提供了土衛(wèi)二上海洋成分和年齡的重要信息。如果沒有熱液活動的話，這些秘密可能會被永遠(yuǎn)掩藏在土衛(wèi)二厚厚的冰層之下。對于那些目前缺乏熱液活動證據(jù)的冰衛(wèi)星（如木衛(wèi)二等），科學(xué)家就很難獲得這些信息。

從更基本的層面上說，土衛(wèi)二有熱液噴泉存在，這本身就是個(gè)有趣的謎題。對于熱液活動來說，關(guān)鍵的要素不是水，而是熱，但土衛(wèi)二內(nèi)部為何如此熾熱是很難解釋的。土衛(wèi)二的直徑僅相當(dāng)于英格蘭的東西跨度，在衛(wèi)星中都不算大，不可能保留其形成過程留下的熱量。因此這顆衛(wèi)星內(nèi)部肯定有其他熱源。如能理解土衛(wèi)二產(chǎn)生并維持溫暖內(nèi)部環(huán)境的機(jī)制，我們對冰衛(wèi)星及其孕育生命的潛力的認(rèn)知也將得到徹底革新。

科學(xué)家在2005年開始懷疑土衛(wèi)二內(nèi)部可能有海洋，那是在“卡西尼”號抵達(dá)土星系統(tǒng)前一年。當(dāng)時(shí)，“卡西尼”號發(fā)現(xiàn)，土衛(wèi)二正從地質(zhì)活動較為活躍的南極地區(qū)噴出高達(dá)數(shù)百千米的云霧（主要成分是水汽和冰粒）。 此后數(shù)次飛越土衛(wèi)二時(shí)，“卡西尼”號發(fā)現(xiàn)這些云霧源自四條狹長裂縫中涌出的多個(gè)噴流。這些裂縫的溫度明顯高于周圍地區(qū)，在“卡西尼”號搭載的紅外探測器看來十分顯眼。“卡西尼”項(xiàng)目的科學(xué)家稱這些裂縫為“虎紋”，他們確認(rèn)，土星環(huán)中最外圍的E環(huán)就是由裂縫噴出的冰晶組成的。不過，絕大多數(shù)冰晶速度太慢，不會到達(dá)E環(huán)，它們會落回土衛(wèi)二表面，就像是飄落的細(xì)雪。土衛(wèi)二南半球廣泛分布著高度在100米左右的雪堆，據(jù)此科學(xué)家估計(jì)土衛(wèi)二的南極噴泉可能已經(jīng)存在上千萬年了。

從200萬千米之外拍攝的土衛(wèi)二（圖中心）照片。在圖中，土衛(wèi)二鑲嵌在土星的E環(huán)中，后者是土衛(wèi)二噴發(fā)出的冰晶構(gòu)成的。

盡管一開始科學(xué)家對解釋土衛(wèi)二噴流的“海洋猜想”存在爭議，但經(jīng)過長時(shí)間的廣泛研究，目前土衛(wèi)二內(nèi)部存在海洋已得到了科學(xué)界公認(rèn)。最近，捷克查理大學(xué)的翁德雷·恰德克（Ondej adek）和合作者（包括本文作者托比）對土衛(wèi)二的引力場、表面結(jié)構(gòu)和自轉(zhuǎn)軸變化的研究顯示，土衛(wèi)二赤道區(qū)域的冰層厚度約為35千米，南極地區(qū)則不到5千米。土衛(wèi)二海洋深度約為70千米，也就是說土衛(wèi)二海洋的水量大約相當(dāng)于印度洋水量的十分之一。根據(jù)“卡西尼”號在2009-2011年收集的數(shù)據(jù)，本文作者波斯特貝格發(fā)現(xiàn)，土衛(wèi)二噴出的云霧中含有氯化鈉（鹽），因此海洋應(yīng)該呈鹽堿性。這意味著土衛(wèi)二的海洋很可能與衛(wèi)星的巖石核部分有直接接觸，并從中吸收了礦物質(zhì)。

土衛(wèi)二熱液噴泉最關(guān)鍵的證據(jù)是“卡西尼”號的宇宙塵埃分析器（Cosmic Dust Analyzer ，CDA）從2004年開始收集的數(shù)據(jù)。當(dāng)時(shí)“卡西尼”號尚未抵達(dá)土星，也還沒發(fā)現(xiàn)土衛(wèi)二噴出的云霧。在“卡西尼”號接近土星的過程中，宇宙塵埃分析器意外受到了大量高速運(yùn)動的納米顆粒的沖擊。在發(fā)現(xiàn)土衛(wèi)二的云霧后，波斯特貝格分析了CDA的數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)了這些納米顆粒的大小和出現(xiàn)頻率。他發(fā)現(xiàn)，這些顆粒的直徑都小于20納米，由近乎純凈的二氧化硅（石英和沙子的主要成分）組成。科羅拉多大學(xué)博爾德分校的許翔聞（Hsiang-Wen Hsu）利用數(shù)值計(jì)算追蹤這些納米顆?？赡苄宰罡叩能壍溃茢嗨鼈兊膩碓词峭列荅環(huán)的外緣。因?yàn)橥列l(wèi)二是土星E環(huán)物質(zhì)的主要來源，這也意味著這些納米顆粒很可能來自土衛(wèi)二。果真如此的話，它們所含的二氧化硅就是土衛(wèi)二存在熱液噴泉的有力證據(jù)。

如果二氧化硅納米顆粒的源頭是土衛(wèi)二的話，它們的來源只能是位于厚厚的冰層和海洋之下的巖石核心。在這種環(huán)境下，硅通常在礦物中與鐵、鎂之類的元素結(jié)合在一起，因此發(fā)現(xiàn)純凈的二氧化硅顆粒讓人深感意外。這類礦物通過碰撞摩擦而碎裂得越來越小，的確也可能產(chǎn)生二氧化硅納米顆粒。但如果是這樣的話，這些顆粒應(yīng)該大小各不相同，而這與“卡西尼”號所觀測到的直徑非常均勻的顆粒不相符。唯一一個(gè)可行的解釋是，這些納米顆粒應(yīng)該是因流經(jīng)巖石而富含二氧化硅的過飽和堿性溶液結(jié)晶形成的，這樣的過程發(fā)生在深海熱液噴泉處，就像地球大西洋底“失落的城市”一樣。

在“失落的城市”和土衛(wèi)二的海底，熱液流經(jīng)硅酸鹽巖石時(shí)吸收了二氧化硅。當(dāng)這些熱液涌入周圍的海洋時(shí)會逐漸冷卻，攜帶礦物質(zhì)的能力隨之減弱，從而形成二氧化硅納米顆粒。在這一過程中，其他分子也可能附著在納米顆粒上，使得納米顆粒變得越來越大、越來越重，從而沉淀到海底——只有低鹽度的堿性環(huán)境才能讓納米顆粒有機(jī)會噴出海洋。納米顆粒的大小和存在時(shí)間之間的關(guān)系，再加上它們形成時(shí)的溫度和化學(xué)環(huán)境，給研究者提供了一個(gè)前所未有的機(jī)會來研究土衛(wèi)二的海洋環(huán)境。

在“卡西尼”號發(fā)現(xiàn)納米顆粒之后，東京大學(xué)的關(guān)根康人（Yasuhito Sekine）領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)通過實(shí)驗(yàn)確認(rèn)了納米顆粒的形成機(jī)制，并由此揭示了土衛(wèi)二海洋深處的狀況。他們發(fā)現(xiàn)，水溫等于或高于90℃、堿性高于地球海洋，鹽度比地球海洋稍低是微小二氧化硅納米顆粒能夠長時(shí)間存在的理想環(huán)境。根據(jù)關(guān)根康人研究組的實(shí)驗(yàn)，土衛(wèi)二海洋的堿性應(yīng)該在地球海洋和含氨的家用清洗液之間。如果堿性過高，海水溶解二氧化硅的能力太強(qiáng)，就根本不會析出納米顆粒；如果堿性過低，那就只有在極高的水溫下，海水才能溶解足夠多的二氧化硅來產(chǎn)生納米顆粒。上述科學(xué)家的研究成果表明，如果把“失落的城市”和其他地球深海熱液生態(tài)系統(tǒng)挪到土衛(wèi)二海底的話，它們應(yīng)該也可以存活并繁盛起來，土衛(wèi)二的海洋看上去是宜居的。

藝術(shù)家繪制的概念圖，從土衛(wèi)二內(nèi)部滲出的熱液有可能在海底形成沉積的礦物。

當(dāng)然，也存在這樣一種可能：“卡西尼”號所發(fā)現(xiàn)的納米顆粒是很久以前土衛(wèi)二上的熱液噴泉活動形成的，現(xiàn)在的這些活動早已停止了，土衛(wèi)二并不宜居。不過，關(guān)根康人及其合作者的研究表明事實(shí)并非如此。根據(jù)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模型，剛剛形成的納米顆粒平均直徑是4納米，之后它們僅有幾個(gè)月到幾年的增長時(shí)間?！翱ㄎ髂帷碧柕挠钪鎵m埃分析器所收集到的納米顆粒的典型直徑是4~16納米，沒有超過20納米的。因此這些顆粒應(yīng)該是在“卡西尼”號收集到它們之前不久形成的，否則就應(yīng)該更大一些。這是現(xiàn)階段我們所能夠證明土衛(wèi)二存在熱液噴泉的最好證據(jù)。

根據(jù)此前發(fā)現(xiàn)的機(jī)制，現(xiàn)在我們可以追蹤一下納米顆粒從土衛(wèi)二海底到廣闊太陽系的旅程。首先，納米顆粒在富含二氧化硅的熱液涌入冰冷的海洋時(shí)形成，之后這些顆粒花費(fèi)數(shù)年的時(shí)間，從深達(dá)60千米的海水中浮上來。

當(dāng)納米顆粒抵達(dá)海洋表層時(shí)，會進(jìn)入灌注了海水的裂縫中，這些裂縫縱橫交錯，穿透了土衛(wèi)二南極區(qū)域厚達(dá)數(shù)千米的冰層。因?yàn)楹Ｋ拿芏雀哂谥車谋?，在土衛(wèi)二表面1千米以下，攜帶著納米顆粒的海水就會停止上升。不過“香檳效應(yīng)”給了海水更進(jìn)一步的助力。當(dāng)溶解有二氧化碳的海水上升時(shí)，隨著壓強(qiáng)降低，二氧化碳會從水中析出并形成大量氣泡。氣泡可以把海水抬升到距離土衛(wèi)二表面100米以內(nèi)。

我們推測，這些海水會積聚在冰層中的孔洞里。在土衛(wèi)二表面近似真空的環(huán)境下，二氧化碳和低氣壓的共同作用使得海水像沸騰了一樣冒泡，拋出水霧和蒸氣。水霧中的水滴迅速結(jié)凍，形成了包裹著二氧化硅納米顆粒的微米級冰晶——就像是果仁面包一樣。蒸氣在冰層表面的裂縫內(nèi)上升。一部分水蒸氣凝結(jié)在冰壁上，釋放出的潛熱就是我們看到土衛(wèi)二表面“虎紋”發(fā)出的明亮紅外輻射。沒有凝結(jié)的水蒸氣攜帶著含有納米顆粒的冰晶沖出冰面進(jìn)入太空，形成了土衛(wèi)二的冰噴泉。

噴泉中的絕大多數(shù)冰晶落回了土衛(wèi)二表面，但速度最快的那些則逃離了土衛(wèi)二，形成了土星的E環(huán)。冰晶在E環(huán)中遭受電離氣體的不斷剝蝕，最終釋放出了包裹在里面的納米顆粒。被釋放的納米顆粒從電離氣體和自由電子獲得電荷，成為土星的電磁環(huán)境的一部分。其中的一部分納米顆粒在太陽風(fēng)的作用下，速度可以達(dá)到每小時(shí)100萬千米（大約相當(dāng)于光速的百分之一），從而一直飛到太陽系的邊緣去。還有少量的納米顆粒甚至可能進(jìn)入了星際空間，正在太陽與其他恒星之間漂流。

這是一個(gè)優(yōu)美的理論，我們也認(rèn)為它相當(dāng)準(zhǔn)確。但這個(gè)理論并沒有涉及土衛(wèi)二的最大難題：維持海洋活動的熱源是什么？這個(gè)對于液態(tài)水和生命都至關(guān)重要的熱源顯然不是陽光。因?yàn)橥列l(wèi)二接收到的陽光強(qiáng)度僅有地球的百分之一，這使得土衛(wèi)二的表面溫度接近液氮的溫度。

數(shù)十億年來，地球內(nèi)部一直維持著高達(dá)數(shù)千攝氏度的溫度，其熱量大約有一半來自放射性元素鈾、釷、鉀的衰變。盡管土衛(wèi)二內(nèi)部的放射性元素豐度與地球相當(dāng)，但這顆衛(wèi)星過小的體積（直徑500千米）使得它內(nèi)部熱量散失的速度遠(yuǎn)高于地球。如果沒有其他熱源的話，土衛(wèi)二應(yīng)該從內(nèi)到外都是冰冷的。土衛(wèi)二體積小，引力也弱，因此其內(nèi)部動力機(jī)制也與地球這樣的大行星不同：因?yàn)橥列l(wèi)二內(nèi)部壓強(qiáng)較低、溫度也不高，其核心中的物質(zhì)致密程度有限，于是水可以通過巖石之間的縫隙流動，使得靠近衛(wèi)星中心的區(qū)域也能出現(xiàn)熱液活動。與此不同的是，地球內(nèi)部壓強(qiáng)和溫度的快速增加使得水的流動被限制在地殼表層幾千米的范圍內(nèi)。

按理說，內(nèi)核的熱液活動會加速土衛(wèi)二的冷卻，帶走放射性元素所釋放的熱量，從而讓土衛(wèi)二無法維持形成二氧化硅納米顆粒的高溫環(huán)境。不過，土衛(wèi)二在放射性元素之外還有一個(gè)可能的熱源，足以解釋現(xiàn)在的熱液活動，即潮汐加熱。

地球海洋的潮汐活動是月球和太陽的引力拉扯導(dǎo)致的，與此類似，當(dāng)一顆行星或衛(wèi)星在非圓軌道上運(yùn)動時(shí)，其內(nèi)部會發(fā)生周期性的變形，從而出現(xiàn)潮汐加熱現(xiàn)象。變化的引力導(dǎo)致行星或衛(wèi)星變形，使其內(nèi)部不同巖層之間磨擦并產(chǎn)生熱量。潮汐加熱對于土衛(wèi)二這種內(nèi)部疏松并且富含水的天體特別有效?！翱ㄎ髂帷碧柕臄?shù)據(jù)清楚地顯示了土星潮汐力對土衛(wèi)二的影響：噴泉的亮度和物質(zhì)量會隨土衛(wèi)二的公轉(zhuǎn)而出現(xiàn)周期性變化。很明顯，土衛(wèi)二冰層中可供霧氣和水蒸氣通過的裂縫，在潮汐力的拉扯和擠壓下反復(fù)張開和閉合，潮汐力同樣也產(chǎn)生了大量的熱。

我們所不知道的是，土衛(wèi)二今天的海洋到底是僅僅短暫存在了幾千萬年，還是維持了幾億年或幾十億年。答案依賴于潮汐加熱持續(xù)的時(shí)間，而潮汐加熱的時(shí)間又依賴于土衛(wèi)二對土星和土星另一顆衛(wèi)星土衛(wèi)四的影響。

要理解這些天體間的潮汐相互作用，可以參考一下我們較為熟悉的地月系統(tǒng)，它與土星和土衛(wèi)二有一些相似之處。月球會讓地球產(chǎn)生潮汐，而土衛(wèi)二對土星也有同樣的作用。在地球的海洋中，潮汐的能量會因?yàn)榕c海岸和海底摩擦而逐步耗散掉。這個(gè)效應(yīng)會令地球的自轉(zhuǎn)變慢，100年以后的一天比現(xiàn)在的一天長大約千分之二秒，同時(shí)地球消耗掉月球的潮汐能量會導(dǎo)致地月距離增大約4米。同理，土星內(nèi)部的潮汐摩擦作用會導(dǎo)致土星自轉(zhuǎn)速度發(fā)生微弱變化，同時(shí)令土衛(wèi)二和土星之間的距離增大并使得土衛(wèi)二軌道偏心率增加。更高的偏心率會導(dǎo)致更強(qiáng)的潮汐作用并在土衛(wèi)二內(nèi)部產(chǎn)生更多熱量。早期的理論計(jì)算估計(jì)，土衛(wèi)二在土星內(nèi)部引發(fā)的潮汐作用非常微弱，導(dǎo)致土衛(wèi)二軌道偏心率減少，因此土衛(wèi)二上因潮汐加熱而存在的海洋的“年齡”，不會超過100萬年。

最近巴黎天文臺的瓦萊里·萊內(nèi)（Valéry Lainey）和同事（包括本文作者托比）重新分析了土星系統(tǒng)中較大衛(wèi)星的運(yùn)動，更精確地計(jì)算了土星內(nèi)部潮汐摩擦的強(qiáng)度。他們發(fā)現(xiàn)，土星內(nèi)部潮汐磨擦的強(qiáng)度比之前模型的預(yù)測結(jié)果要高至少一個(gè)數(shù)量級。如果計(jì)算準(zhǔn)確的話，更強(qiáng)的潮汐摩擦意味著土衛(wèi)二的軌道偏心率可以在相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定，從而使得潮汐加熱能讓海洋維持至少數(shù)千萬年，而且還可能更加長久。土衛(wèi)二的海洋存在的時(shí)間越長，生命在那里誕生并繁榮發(fā)展的可能性也就越大。

與此同時(shí)，在潮汐加熱之外，土衛(wèi)二還可能存在另一重要熱源。水滲入硅酸鹽巖石時(shí)，可能會與某些礦物結(jié)合為水合物，并改變其晶格結(jié)構(gòu)，釋放出可觀的熱量。這個(gè)過程被稱為蛇紋石化（serpentinization）。在土衛(wèi)二富含硅酸鹽的多孔巖質(zhì)核心中，水在穩(wěn)定地循環(huán)流動，從而促使該過程持續(xù)進(jìn)行，釋放熱量的功率可以達(dá)到數(shù)十億瓦，這可能是土衛(wèi)二相當(dāng)重要的內(nèi)部熱源。只要新鮮的、未發(fā)生變化的礦物不斷與循環(huán)水流接觸，熱量供應(yīng)就會持續(xù)下去。但是，但土衛(wèi)二內(nèi)部全部蛇紋石化之后（時(shí)間約為數(shù)百萬年），就無法再通過這個(gè)過程獲得熱量，如果沒有潮汐加熱之類的其他熱源，土衛(wèi)二就會變冷，因此蛇紋石化過程自己應(yīng)該無法讓全球性的海洋維持足夠長的時(shí)間，來完成生命起源前的化學(xué)演化過程。

但是蛇紋石化過程仍有可能為土衛(wèi)二內(nèi)部可能存在的生物圈做出貢獻(xiàn)?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，地球上的蛇紋石化過程為類似“失落的城市”的深海熱液噴泉提供了能量，而除了熱量外，這類反應(yīng)還可釋放出氫、甲烷和其他有機(jī)物，而這些物質(zhì)是維持深海微生物生命活動必不可少的。在與世隔絕、缺乏陽光的深海生物圈中，這些細(xì)菌構(gòu)成了食物鏈的基礎(chǔ)。有些研究深海微生物的科學(xué)家還對生命是否真的需要陽光產(chǎn)生了懷疑。

20世紀(jì)80年代后期，蘇格蘭斯特拉思克萊德大學(xué)的邁克爾·拉塞爾（Michael Russell）和同事推測，堿性熱液噴泉可能是早期地球生命最初誕生之處。盡管當(dāng)時(shí)研究者尚未在地球上發(fā)現(xiàn)熱液噴泉，但拉塞爾指出，演化出現(xiàn)代生命的膜結(jié)構(gòu)、新陳代謝機(jī)制和自我復(fù)制機(jī)制的生命前化學(xué)過程均可能在熱液噴泉環(huán)境中發(fā)生。這一猜想并未在純學(xué)術(shù)圈之外得到重視，也沒有引發(fā)什么探討或爭論。

“失落的城市”的發(fā)現(xiàn)讓人們對拉塞爾的猜想產(chǎn)生了新的興趣，使其成為了當(dāng)代生命起源研究的前沿課題。現(xiàn)在，我們在土衛(wèi)二上發(fā)現(xiàn)了類似的深海環(huán)境，而其他冰衛(wèi)星（如木衛(wèi)二）也有可能存在熱液活動，這些都促使我們轉(zhuǎn)變在太陽系搜尋地外生命的思路。生命不一定限定在溫暖濕潤的固體行星上，它們也可能出現(xiàn)在更為多樣的環(huán)境中，由放射性元素衰變、蛇紋石化或潮汐力提供能量。土衛(wèi)二和木衛(wèi)二也可能僅僅是冰山的一角——木衛(wèi)三、木衛(wèi)四、土衛(wèi)六和土衛(wèi)一，甚至遙遠(yuǎn)的冥王星都有可能存在冰下海洋。對地外生命感興趣的科學(xué)家才剛剛開始著手研究這些可能性。但現(xiàn)在看來，我們過去很可能大大地低估了宇宙中生命的豐富程度。

目前，我們?nèi)圆恢辣l(wèi)星內(nèi)部是否真的滿足生命存在的所有必要條件。土衛(wèi)二的熱液噴泉活動的持續(xù)時(shí)間和活動強(qiáng)度仍是一個(gè)未獲解答的問題。對木衛(wèi)二內(nèi)部熱液噴泉的任何討論都僅僅是猜測。美國航空航天局和歐洲空間局正在積極地尋求這些問題的答案，它們計(jì)劃發(fā)射探測器，在2030年左右探索木星系統(tǒng)的冰衛(wèi)星，尋找類似土衛(wèi)二的云霧噴流。在2017年之前“卡西尼”號將繼續(xù)探測土衛(wèi)二。為了防止地球微生物污染土衛(wèi)二或其他冰衛(wèi)星，“卡西尼”號完成使命后將于2017年撞擊土星。最終，新一代的探測器將會訪問土星二，就地進(jìn)行觀測研究——著陸、采樣并把樣本送回地球。雖然這樣的探測計(jì)劃目前僅僅存在于天體生物學(xué)家的夢想之中，但也許他們不用等待太久。

本文作者

弗蘭克·波斯特貝格負(fù)責(zé)“卡西尼”號的宇宙塵埃分析器的質(zhì)譜分析研究。目前他同時(shí)任職于德國海德堡大學(xué)和斯圖加特大學(xué)，主要研究宇宙塵埃和冰質(zhì)衛(wèi)星。

加布里埃爾·托比是法國行星科學(xué)家，他年輕時(shí)受NASA伽利略木星探測計(jì)劃的激勵投身科學(xué)，目前主要研究木衛(wèi)二、土衛(wèi)二和其他冰衛(wèi)星在潮汐力作用下的活動。

索斯藤·丹貝克是德國物理學(xué)家，同時(shí)也是科學(xué)作家，主要撰寫天文學(xué)和行星科學(xué)方面的文章。在20世紀(jì)80年代初，年幼的他曾通過望遠(yuǎn)鏡觀測過土衛(wèi)二。

本文譯者

田豐是清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)研究中心教授、中科院國家天文臺“百人計(jì)劃”研究員。他主要的研究領(lǐng)域是行星大氣、比較行星學(xué)、天體生物學(xué)和行星宜居性等。