土衛二發現海底熱液噴泉，那裡會有生命嗎？

剛剛發表在《科學》（Science）上的研究稱，科學家根據卡西尼號探測器的數據，發現土衛二（Enceladus）表面噴射出的雲霧中含有大量的氫氣。這是土衛二海底存在熱液噴泉活動的又一個有力證據。在地球上，類似的深海熱泉為利用化學能生存的細菌提供了食物，支撐起了一個繁盛的海底生態系統。可以說，土衛二很可能已經為生命存在提供了合適的舞台。

其實，之前科學家已經根據其他證據推測：土衛二不但有一個遍布全球的海洋，在其海洋深處還存在熱液噴泉活動。此外，研究者也對遠離太陽的土衛二為何能維持一個液態海洋，提出了可能的解釋。以下是來自《環球科學》的深度報道。

撰文?弗蘭克 · 波斯特貝格（Frank Postberg）

加布里埃爾 · 托比（Gabriel Tobie）

索斯藤 · 丹貝克（Thorsten Dambeck）??

翻譯?田豐

位 於百慕大和加那利群島之間的北大西洋海底應該是一片荒蕪的地方。但就在這裡，在海面之下近1千米深的地方，大自然塑造了一座海底都市，眾多如摩天大樓一樣高聳的石灰岩塔為成群結隊的海螺、蟹類和蚌類提供了居所。這些石灰岩塔是海底熱液噴泉湧出的鹼性泉水析出的礦物構成的。21世紀初期，生物學家利用海底遙控攝像機發現了這座奇異的「失落的城市」。自那以後，通過對這裡的研究，科學家認識到，在遠離生命源泉陽光的地方，熱液噴泉可以支撐起一個繁盛的海底生態系統。大約與此同時，行星科學家通過「卡西尼」號土星探測器在外太陽系取得了一系列重大發現，其中包括土衛二冰面下的海洋中存在熱液噴泉的有力證據。那麼，那裡是否也可能存在生命呢?

毋庸置疑，科學家一直著迷於地外生命，但就算沒有直接發現異星生命，地外熱液噴泉活動對於他們而言也是非常激動人心的發現。表明土衛二有熱液噴泉活動的證據，同樣提供了土衛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掩藏在土衛二厚厚的冰層之下。對於那些目前缺乏熱液活動證據的冰衛星（如木衛二等），科學家就很難獲得這些信息。

從更基本的層面上說，土衛二有熱液噴泉存在，這本身就是個有趣的謎題。對於熱液活動來說，關鍵的要素不是水，而是熱，但土衛二內部為何如此熾熱是很難解釋的。土衛二的直徑僅相當於英格蘭的東西跨度，在衛星中都不算大，不可能保留其形成過程留下的熱量。因此這顆衛星內部肯定有其他熱源。如能理解土衛二產生並維持溫暖內部環境的機制，我們對冰衛星及其孕育生命的潛力的認知也將得到徹底革新。

第一個線索

科學家在2005年開始懷疑土衛二內部可能有海洋，那是在「卡西尼」號抵達土星系統前一年。當時，「卡西尼」號發現，土衛二正從地質活動較為活躍的南極地區噴出高達數百千米的雲霧（主要成分是水汽和冰粒）。此後數次飛越土衛二時，「卡西尼」號發現這些雲霧源自四條狹長裂縫中湧出的多個噴流。這些裂縫的溫度明顯高於周圍地區，在「卡西尼」號搭載的紅外探測器看來十分顯眼。「卡西尼」項目的科學家稱這些裂縫為「虎紋」，他們確認，土星環中最外圍的E環就是由裂縫噴出的冰晶組成的。不過，絕大多數冰晶速度太慢，不會到達E環，它們會落回土衛二表面，就像是飄落的細雪。土衛二南半球廣泛分布著高度在100米左右的雪堆，據此科學家估計土衛二的南極噴泉可能已經存在上千萬年了。

從200萬千米之外拍攝的土衛二（圖中心）照片。在圖中，土衛二鑲嵌在土星的E環中，後者是土衛二噴發出的冰晶構成的。

儘管一開始科學家對解釋土衛二噴流的「海洋猜想」存在爭議，但經過長時間的廣泛研究，目前土衛二內部存在海洋已得到了科學界公認。最近，捷克查理大學的翁德雷·恰德克（Ondej adek）和合作者（包括本文作者托比）對土衛二的引力場、表面結構和自轉軸變化的研究顯示，土衛二赤道區域的冰層厚度約為35千米，南極地區則不到5千米。土衛二海洋深度約為70千米，也就是說土衛二海洋的水量大約相當於印度洋水量的十分之一。根據「卡西尼」號在2009-2011年收集的數據，本文作者波斯特貝格發現，土衛二噴出的雲霧中含有氯化鈉（鹽），因此海洋應該呈鹽鹼性。這意味著土衛二的海洋很可能與衛星的岩石核部分有直接接觸，並從中吸收了礦物質。

土衛二熱液噴泉最關鍵的證據是「卡西尼」號的宇宙塵埃分析器（Cosmic Dust Analyzer ，CDA）從2004年開始收集的數據。當時「卡西尼」號尚未抵達土星，也還沒發現土衛二噴出的雲霧。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動的納米顆粒的衝擊。在發現土衛二的雲霧後，波斯特貝格分析了CDA的數據，統計了這些納米顆粒的大小和出現頻率。他發現，這些顆粒的直徑都小於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。科羅拉多大學博爾德分校的許翔聞（Hsiang-Wen Hsu）利用數值計算追蹤這些納米顆粒可能性最高的軌道，推斷它們的來源是土星E環的外緣。因為土衛二是土星E環物質的主要來源，這也意味著這些納米顆粒很可能來自土衛二。果真如此的話，它們所含的二氧化硅就是土衛二存在熱液噴泉的有力證據。

如果二氧化硅納米顆粒的源頭是土衛二的話，它們的來源只能是位於厚厚的冰層和海洋之下的岩石核心。在這種環境下，硅通常在礦物中與鐵、鎂之類的元素結合在一起，因此發現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，的確也可能產生二氧化硅納米顆粒。但如果是這樣的話，這些顆粒應該大小各不相同，而這與「卡西尼」號所觀測到的直徑非常均勻的顆粒不相符。唯一一個可行的解釋是，這些納米顆粒應該是因流經岩石而富含二氧化硅的過飽和鹼性溶液結晶形成的，這樣的過程發生在深海熱液噴泉處，就像地球大西洋底「失落的城市」一樣。

宜居的海洋？

在「失落的城市」和土衛二的海底，熱液流經硅酸鹽岩石時吸收了二氧化硅。當這些熱液湧入周圍的海洋時會逐漸冷卻，攜帶礦物質的能力隨之減弱，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，從而沉澱到海底——只有低鹽度的鹼性環境才能讓納米顆粒有機會噴出海洋。納米顆粒的大小和存在時間之間的關係，再加上它們形成時的溫度和化學環境，給研究者提供了一個前所未有的機會來研究土衛二的海洋環境。

在「卡西尼」號發現納米顆粒之後，東京大學的關根康人（Yasuhito Sekine）領導的研究團隊通過實驗確認了納米顆粒的形成機制，並由此揭示了土衛二海洋深處的狀況。他們發現，水溫等於或高於90℃、鹼性高於地球海洋，鹽度比地球海洋稍低是微小二氧化硅納米顆粒能夠長時間存在的理想環境。根據關根康人研究組的實驗，土衛二海洋的鹼性應該在地球海洋和含氨的家用清洗液之間。如果鹼性過高，海水溶解二氧化硅的能力太強，就根本不會析出納米顆粒；如果鹼性過低，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生納米顆粒。上述科學家的研究成果表明，如果把「失落的城市」和其他地球深海熱液生態系統挪到土衛二海底的話，它們應該也可以存活並繁盛起來，土衛二的海洋看上去是宜居的。

藝術家繪製的概念圖，從土衛二內部滲出的熱液有可能在海底形成沉積的礦物。

當然，也存在這樣一種可能：「卡西尼」號所發現的納米顆粒是很久以前土衛二上的熱液噴泉活動形成的，現在的這些活動早已停止了，土衛二並不宜居。不過，關根康人及其合作者的研究表明事實並非如此。根據實驗和數值模型，剛剛形成的納米顆粒平均直徑是4納米，之後它們僅有幾個月到幾年的增長時間。「卡西尼」號的宇宙塵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。因此這些顆粒應該是在「卡西尼」號收集到它們之前不久形成的，否則就應該更大一些。這是現階段我們所能夠證明土衛二存在熱液噴泉的最好證據。

從深海到深空

根據此前發現的機制，現在我們可以追蹤一下納米顆粒從土衛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湧入冰冷的海洋時形成，之後這些顆粒花費數年的時間，從深達60千米的海水中浮上來。

當納米顆粒抵達海洋表層時，會進入灌注了海水的裂縫中，這些裂縫縱橫交錯，穿透了土衛二南極區域厚達數千米的冰層。因為海水的密度高於周圍的冰，在土衛二表面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」給了海水更進一步的助力。當溶解有二氧化碳的海水上升時，隨著壓強降低，二氧化碳會從水中析出並形成大量氣泡。氣泡可以把海水抬升到距離土衛二表面100米以內。

我們推測，這些海水會積聚在冰層中的孔洞里。在土衛二表面近似真空的環境下，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——就像是果仁麵包一樣。蒸氣在冰層表面的裂縫內上升。一部分水蒸氣凝結在冰壁上，釋放出的潛熱就是我們看到土衛二表面「虎紋」發出的明亮紅外輻射。沒有凝結的水蒸氣攜帶著含有納米顆粒的冰晶衝出冰面進入太空，形成了土衛二的冰噴泉。

噴泉中的絕大多數冰晶落回了土衛二表面，但速度最快的那些則逃離了土衛二，形成了土星的E環。冰晶在E環中遭受電離氣體的不斷剝蝕，最終釋放出了包裹在裡面的納米顆粒。被釋放的納米顆粒從電離氣體和自由電子獲得電荷，成為土星的電磁環境的一部分。其中的一部分納米顆粒在太陽風的作用下，速度可以達到每小時100萬千米（大約相當於光速的百分之一），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入了星際空間，正在太陽與其他恆星之間漂流。

熱源問題

這是一個優美的理論，我們也認為它相當準確。但這個理論並沒有涉及土衛二的最大難題：維持海洋活動的熱源是什麼？這個對於液態水和生命都至關重要的熱源顯然不是陽光。因為土衛二接收到的陽光強度僅有地球的百分之一，這使得土衛二的表面溫度接近液氮的溫度。

數十億年來，地球內部一直維持著高達數千攝氏度的溫度，其熱量大約有一半來自放射性元素鈾、釷、鉀的衰變。儘管土衛二內部的放射性元素丰度與地球相當，但這顆衛星過小的體積（直徑500千米）使得它內部熱量散失的速度遠高於地球。如果沒有其他熱源的話，土衛二應該從內到外都是冰冷的。土衛二體積小，引力也弱，因此其內部動力機制也與地球這樣的大行星不同：因為土衛二內部壓強較低、溫度也不高，其核心中的物質緻密程度有限，於是水可以通過岩石之間的縫隙流動，使得靠近衛星中心的區域也能出現熱液活動。與此不同的是，地球內部壓強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範圍內。

按理說，內核的熱液活動會加速土衛二的冷卻，帶走放射性元素所釋放的熱量，從而讓土衛二無法維持形成二氧化硅納米顆粒的高溫環境。不過，土衛二在放射性元素之外還有一個可能的熱源，足以解釋現在的熱液活動，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致的，與此類似，當一顆行星或衛星在非圓軌道上運動時，其內部會發生周期性的變形，從而出現潮汐加熱現象。變化的引力導致行星或衛星變形，使其內部不同岩層之間磨擦併產生熱量。潮汐加熱對於土衛二這種內部疏鬆並且富含水的天體特別有效。「卡西尼」號的數據清楚地顯示了土星潮汐力對土衛二的影響：噴泉的亮度和物質量會隨土衛二的公轉而出現周期性變化。很明顯，土衛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覆張開和閉合，潮汐力同樣也產生了大量的熱。

潮汐的變化

我們所不知道的是，土衛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。答案依賴於潮汐加熱持續的時間，而潮汐加熱的時間又依賴於土衛二對土星和土星另一顆衛星土衛四的影響。

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，它與土星和土衛二有一些相似之處。月球會讓地球產生潮汐，而土衛二對土星也有同樣的作用。在地球的海洋中，潮汐的能量會因為與海岸和海底摩擦而逐步耗散掉。這個效應會令地球的自轉變慢，100年以後的一天比現在的一天長大約千分之二秒，同時地球消耗掉月球的潮汐能量會導致地月距離增大約4米。同理，土星內部的潮汐摩擦作用會導致土星自轉速度發生微弱變化，同時令土衛二和土星之間的距離增大並使得土衛二軌道偏心率增加。更高的偏心率會導致更強的潮汐作用並在土衛二內部產生更多熱量。早期的理論計算估計，土衛二在土星內部引發的潮汐作用非常微弱，導致土衛二軌道偏心率減少，因此土衛二上因潮汐加熱而存在的海洋的「年齡」，不會超過100萬年。

最近巴黎天文台的瓦萊里·萊內（Valéry Lainey）和同事（包括本文作者托比）重新分析了土星系統中較大衛星的運動，更精確地計算了土星內部潮汐摩擦的強度。他們發現，土星內部潮汐磨擦的強度比之前模型的預測結果要高至少一個數量級。如果計算準確的話，更強的潮汐摩擦意味著土衛二的軌道偏心率可以在相當長的時間內保持穩定，從而使得潮汐加熱能讓海洋維持至少數千萬年，而且還可能更加長久。土衛二的海洋存在的時間越長，生命在那裡誕生並繁榮發展的可能性也就越大。

海洋能存在多久？

土衛二如果有生命存在的話，它的海洋必須持續存在相當長的時間。如果海洋是間歇性存在的，只能持續幾千萬年，或是在冰凍和融化狀態之間循環往複，那麼這顆衛星很可能無法產生生命。而海洋的壽命和維繫衛星熱液活動的神秘熱源密切相關。科學家找出了三個可能為衛星供熱的能源，每個熱源都會導致不同的海洋壽命。

蛇紋石化

與此同時，在潮汐加熱之外，土衛二還可能存在另一重要熱源。水滲入硅酸鹽岩石時，可能會與某些礦物結合為水合物，並改變其晶格結構，釋放出可觀的熱量。這個過程被稱為蛇紋石化（serpentinization）。在土衛二富含硅酸鹽的多孔岩質核心中，水在穩定地循環流動，從而促使該過程持續進行，釋放熱量的功率可以達到數十億瓦，這可能是土衛二相當重要的內部熱源。只要新鮮的、未發生變化的礦物不斷與循環水流接觸，熱量供應就會持續下去。但是，但土衛二內部全部蛇紋石化之後（時間約為數百萬年），就無法再通過這個過程獲得熱量，如果沒有潮汐加熱之類的其他熱源，土衛二就會變冷，因此蛇紋石化過程自己應該無法讓全球性的海洋維持足夠長的時間，來完成生命起源前的化學演化過程。

但是蛇紋石化過程仍有可能為土衛二內部可能存在的生物圈做出貢獻。科學家發現，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，這類反應還可釋放出氫、甲烷和其他有機物，而這些物質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，這些細菌構成了食物鏈的基礎。有些研究深海微生物的科學家還對生命是否真的需要陽光產生了懷疑。

20世紀80年代後期，蘇格蘭斯特拉思克萊德大學的邁克爾·拉塞爾（Michael Russell）和同事推測，鹼性熱液噴泉可能是早期地球生命最初誕生之處。儘管當時研究者尚未在地球上發現熱液噴泉，但拉塞爾指出，演化出現代生命的膜結構、新陳代謝機制和自我複製機制的生命前化學過程均可能在熱液噴泉環境中發生。這一猜想並未在純學術圈之外得到重視，也沒有引發什麼探討或爭論。

「失落的城市」的發現讓人們對拉塞爾的猜想產生了新的興趣，使其成為了當代生命起源研究的前沿課題。現在，我們在土衛二上發現了類似的深海環境，而其他冰衛星（如木衛二）也有可能存在熱液活動，這些都促使我們轉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，它們也可能出現在更為多樣的環境中，由放射性元素衰變、蛇紋石化或潮汐力提供能量。土衛二和木衛二也可能僅僅是冰山的一角——木衛三、木衛四、土衛六和土衛一，甚至遙遠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家才剛剛開始著手研究這些可能性。但現在看來，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，我們仍不知道冰衛星內部是否真的滿足生命存在的所有必要條件。土衛二的熱液噴泉活動的持續時間和活動強度仍是一個未獲解答的問題。對木衛二內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，它們計劃發射探測器，在2030年左右探索木星系統的冰衛星，尋找類似土衛二的雲霧噴流。在2017年之前「卡西尼」號將繼續探測土衛二。為了防止地球微生物污染土衛二或其他冰衛星，「卡西尼」號完成使命後將於2017年撞擊土星。最終，新一代的探測器將會訪問土星二，就地進行觀測研究——著陸、採樣並把樣本送回地球。雖然這樣的探測計劃目前僅僅存在於天體生物學家的夢想之中，但也許他們不用等待太久。

本文作者

弗蘭克·波斯特貝格負責「卡西尼」號的宇宙塵埃分析器的質譜分析研究。目前他同時任職於德國海德堡大學和斯圖加特大學，主要研究宇宙塵埃和冰質衛星。

加布里埃爾·托比是法國行星科學家，他年輕時受NASA伽利略木星探測計劃的激勵投身科學，目前主要研究木衛二、土衛二和其他冰衛星在潮汐力作用下的活動。

索斯藤·丹貝克是德國物理學家，同時也是科學作家，主要撰寫天文學和行星科學方面的文章。在20世紀80年代初，年幼的他曾通過望遠鏡觀測過土衛二。

本文譯者

田豐是清華大學地球系統科學研究中心教授、中科院國家天文台「百人計劃」研究員。他主要的研究領域是行星大氣、比較行星學、天體生物學和行星宜居性等。

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