太陽系看「海」指南
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外太陽系，散布著奇特、冰冷和隱蔽的海洋，那裡興許還庇護著 地外生命。
早期的太陽系富含水並且動蕩不安。在小行星和彗星排山倒海地撞擊下，形成中的行星會獲得大量的水。今天，火星上有多處跡象表明其北半球曾被一個巨大的古代海洋所包圍。化學分析暗示在原初的金星上曾存在廣泛的海洋。但除了這些過去的輝煌之外，在地球之外的外太陽系中目前仍潛藏著海洋。
各式各樣的海洋
那麼，這些水最初是從何而來的？對於水而言，我們的太陽系猶如雙城記。行星形成於圍繞新生太陽的盤狀氣體和塵埃雲中。這個行星盤中含有水、礦物、塵埃和金屬，但越靠近太陽的地方，水越少，反之則越多。由於年輕太陽的高溫，內行星最初的水會蒸發殆盡。但小行星的撞擊會為類地行星輸送來額外的水。較小的水星流失了其大部分的水，但是金星、地球和火星都形成了不同程度的海洋。然而，只有地球的海洋仍然留存至今。
外太陽系中的海洋則截然不同。所有的氣態和冰質巨行星都誕生於包裹著它們的盤形星雲中。當木星、土星、天王星和海王星冷卻時，它們就會收縮；每一個都會擁有一個氣體、冰和塵埃雲。在這些小型的吸積盤中，會聚集形成衛星。木星的四顆大型伽利略衛星為此提供了一個完美的樣例。靠近木星的木衛一和木衛二坍縮形成了高密度的岩質核心，在木衛二上還有一個相對較薄的水冰外殼。它們是木星版的類地行星。在木星星雲外部，那裡擁有更多的水，於是形成了半徑更大、密度更低的木衛三和木衛四，它們有著較小的岩質核心和更深厚的冰殼。但在這些隱秘的海洋中存在著多少水呢？
事實證明，有很多。得益於行星探測，既有認識所發生的最重大轉變之一就是太陽系充滿了海洋。在太空時代之前, 沒有人能意識到這一點。即便那時有人懷疑在木衛二或者甚至土衛二之下存在著海洋，手頭的數據也無法讓你得出海洋普遍存在於冰質衛星上的結論。
木衛二的冰殼
作為地外海洋的典範，木星的冰質衛星木衛二已經成為追尋地外生命的天體生物學家們的最愛。這顆木星第四大的衛星有一個由水冰所組成的閃閃發光的表面。直線和曲線形的條紋散佈於它的表面之上，它們是存在強大板塊活動的有力證據。對於在木衛二奇特而布滿條紋的冰面之下存在什麼，天文學家提出了幾種可能，從液態水上的軟冰到一個深約100千米的海洋不等。無論其內部如何，木衛二絕不僅僅是一個「水球」。
木衛二內部結構的藝術概念圖。它的宏觀結構（左圖）由內而外分別是金屬核心、岩質地幔和水層，表面結構則為表面冰層和冰層下海洋。版權：NASA/JPL-Caltech。
木衛二海洋的線索來自其凍原上眾多筆直的裂紋，其兩側還有數百米高的漫延山脊。另外還有一些由半流質稀薄混合物凝固而成的區域，在重新封凍前它們發生過旋轉和翻動。
除了這些外觀上的線索，木衛二還擁有一個磁場, 它與在木衛二冰層上部由導電液體 (可能是鹽水)所產生的磁場一致。木衛二的磁場屬於感生磁場，是在對木星強大的磁場做出響應時所產生的。隨著木星的自轉, 其強大的磁場會隨之轉動, 不斷地掃過木衛二。在這種情況下, 任何能導電的物質都會產生感生磁場。觀測到的感生磁場使得科學家們認為，其源頭是一個木衛二表面附近的導電層，例如一個含鹽的海洋。
在木衛二每繞木星半圈的時間裡，木衛一就會繞木星1圈， 而木衛三則繞木星轉了1/4圈。這一共振會使得木衛二的軌道稍稍偏離圓形，木星的引潮力由此可以加熱它的內部。雖然木衛二上的潮汐加熱要遠小於具有活躍火山活動的木衛一，但在木衛二的海底可能會因此出現火山，在那裡硅酸鹽地幔會與上方海洋相遇。在地球上, 這樣的海底火山承載著豐富的生物。雖然湮沒在永恆的黑暗中，但這一漆黑的環境對木衛二上的任何生物都有一個好處：其深厚的冰殼可以抵禦來自木星的洶湧致命輻射。
科學家們都確信在木衛二表面冰層之下存在海洋，但對於冰層的厚度則莫衷一是。左、右圖分別呈現了兩種可能的剖面圖。左圖的冰層較薄，海底火山釋放的熱量可以使之直接融化，導致冰面破裂；右圖的冰層較厚，熱傳導效力較低，需要潮汐加熱來提供額外的熱量。版權：NASA/JPL/Michael Carroll。
在冰層之下，木衛二的海洋覆蓋全球。對錶面特徵的跟蹤表明，木衛二的冰殼並不與其岩質核心直接相連，而是自由漂浮在一個液體層之上。根據從1995～2003年環繞木星的伽利略探測器從近距離飛掠所採集的數據，木衛二的內部有一個岩質核心，外部則是一個約100至200千米深的水圈層。
那麼，木衛二的冰殼有多厚呢？有一個模型認為，覆蓋在其海洋之上的冰殼較薄，厚120千米。在這個模型中, 從海底火山噴出熱水的羽流會撞擊到表面的冰層，進而使之破裂形成所見的表面特徵和結構。另一種模型的冰殼較厚。就像熔岩燈中的醋臘浮塊，溫度較高的冰塊會在冰殼中向上遷移，形成今天我們所看到的表面特徵。這些上升的冰不會完全融化，但會逐漸地使表面變形。冰中的雜質能導致熔點降低，可能會有助於這個過程。即使有數十千米厚的冰，「伽利略」所發現的少量鹽或硫酸就足以充當「防凍劑」來形成所見的地貌。在這種情況下，有些區域甚至還可能會出現地下湖泊。
有了這些活動，水是否能以間歇噴發的形式逃脫出來呢？水噴發的證據包括了潛在噴口周圍深色的物質暈，覆蓋表面裂縫的鹽以及臨近裂口排列的鏈狀明亮斑塊。對逃逸水蒸氣的猜想首現於2012年末，當時哈勃空間望遠鏡的一系列觀測在木衛二南半球之上發現了水蒸氣的光譜信號。天文學家們得出結論：水蒸氣很可能是間歇性噴發的產物，據估計噴射的速度為每小時1500千米，是民航客機的3倍，它形成一個高達200千米的巨大羽狀結構。
但是，當科學家們重新審視「伽利略」的數據時，卻沒有發現任何噴發的跡象。在前往土星的途中，2000年12月30日卡西尼土星探測器飛掠木星，期間也沒有發現噴發活動。「哈勃」在更早的1999年10月和2012年11月的觀測中也沒有發現木衛二任何的噴發。但在2016年，「哈勃」的觀測卻明顯地探測到了木衛二羽狀噴出物。事實上，在15個月的時間裡它共觀測到了3起噴發事件。如果「哈勃」所觀測到的是噴發中的冰火山，這意味著木衛二可能具有兩種火山活動：在海底噴射熔岩的傳統硅酸鹽火山以及在冰殼之上間歇性噴發水蒸氣的冰火山。
充滿活力的土衛二
土星的小衛星土衛二是一個絕非尋常的天體。它細膩的冰殼表面上有著蜿蜒的山脊和布滿裂隙的平原，幾乎看不到隕擊坑。整個土衛二上散布著新近的冰質物質。
2005年，「卡西尼」在土衛二上發現了冰火山活動。最壯觀的是，這包括了101口位於其南極的活躍間歇泉，噴出物高達500千米，它們可能是由類似於木衛二和木衛一上的潮汐力所驅動的。這些間歇泉從土衛二南極的裂縫中噴出，那裡的溫度可高達-93℃，比周圍環境高出約108℃。
在多次飛過噴出羽狀物的過程中，「卡西尼」探測發現其90%為水蒸氣，其餘則為二氧化碳、甲烷、乙炔、丙烷、一氧化碳、氮分子以及少量相當複雜的富碳分子。在土衛二的冰殼之下正在發生一些複雜的化學反應。除了所有這些化學成分之外，噴出羽狀物的冰粒中還含有氯化鈉和其他鹽。這些羽狀噴發似乎正在把土衛二內部含鹽冰顆粒輸送到外部。這些物質可能來自於一個久已消失海洋的殘餘，但更有可能的是這些鹹水目前就存在於其表面之下不遠處，它們會被時不時地噴射出來。
根據卡西尼探測器的重力場測量所得到的土衛二內部結構藝術概念圖，結果顯示它具有一個外部冰殼和一個低密度岩質核心。在南半球高緯度地區，上述兩者之間存在一個區域性的液態水海洋。版權：NASA/JPL-Caltech。
鑒於土衛二具有無害的輻射環境，它將是未來實地探測的理想目的地。你不必為飛船裝上60厘米厚的鉛板來保護自己。只是採取適當的防護，無人探測器就能在那裡自如地工作，探測有機分子並檢測它們的手性。手性是生命的重要特徵。大多數複雜的分子都具有手性，這意味著它們具有互為鏡像的兩種形式。地球上的所有生命都使用左手性的氨基酸；科學家們認為別處的生命也會同樣對某一手性的分子有強烈的偏好。
此外，和木衛二相比，在土衛二上鑽探將不會是個大問題。無論在其地下的海洋中有什麼，都是可探查的。所需要做的就是在它表面著陸，然後尋找和嗅探。在這裡，你可以看到一些極為古老的區域，它們在過去的10億年里幾乎沒有發生過變化；另一些則是非常年輕的區域，地質活動的時間甚至還不到1周。
事實上，土衛二的有關發現是在太陽系中搜尋地外生命的一個轉折點。在最近的地質時期，外行星的衛星仍處於活躍狀態對於科學家們來說是一個巨大的啟示。儘管旅行者探測器已經向我們展現了木衛一上的火山活動，開闢了新的可能性，但隨著「卡西尼」探測到土衛二的活動，這才真正地改變了我們已有的認識，開始意識到這樣的事情是可能的。
木衛三和土衛六：禁閉的海洋？
伽利略衛星中最大的是木衛三。它直徑5262千米，比水星的還大383千米。「伽利略」發現木衛三有一個內稟磁場，是唯一一顆已知能自己產生磁場的衛星，暗示它有一個由熔融鐵構成的核心。「伽利略」還探測到了一個與木衛二類似的感生磁場，表明它擁有一個很深的鹹水海洋。對於木衛二的情況下，其海洋就位於岩床之上，在那裡礦物和可能的火山可以提供生命所需的物質。但木衛三則不同。它的感生磁場表明，在其冰凍的表面之下存在著多個深度是地球上10倍的海洋，但它很可能被夾在上、下兩個冰層之間，整體猶如三明治一般。
由於與富含礦物的岩質核心隔絕開，在這些海洋中存在生命的概率有多大？模型表明，冰層和岩石交界面上的鹹水可能會向上滲出，遷移至上方冰封的海洋中。一路上，這些水可能會聚集成內部「池塘」。木衛三冰中的壓強和溫度很難在地球上的實驗室里模擬，但海洋和岩石之間的冰壁壘也許根本就不是問題。因此，天體生物學家們正在開始重新考慮木衛三作為潛在生命居住地的可能性。
木星的衛星木衛三是太陽系中最大的衛星，讓水星都相形見絀。它內部海洋和冰層就像是三明治一樣交疊分布。版權：NASA/JPL-Caltech。
在土星最大的衛星土衛六地表之下，可能也存在著一個類似的禁閉海洋。如果土衛六地殼是由固態冰構成的，那它的引力每天會形成1米高的潮汐。但實際上其地殼的抬升高度是這個數字的大約10倍，這一彈性可以用一個隱藏的海洋來解釋。土衛六的密度表明它由等量的水和岩石組成。水冰構成了它的表面殼層，但在此之下則可能存在一個深達300千米的海洋。在漆黑的海水中也許包含有氨水和複雜的有機物。
禁閉的海洋也許並非是木衛三和土衛六所獨有。土星的衛星土衛四在表面之下約100千米處可能擁有一個幾十千米深的海洋。
土衛六：最奇特的海洋
根據卡西尼探測器的數據所推斷出的土衛六層化內部結構。它有一個由含水岩石構成的核心以及一個地下液態水海洋，在這兩者之間的則是冰幔。版權：A. D. Fortes/UCL/STFC。
除了一個可能深埋地下的海洋之外，土衛六在其表面上還擁有另一種海洋，而它興許是所有海洋中最奇特的。在它濃密的氮—甲烷煙霧之下，土衛六上存在著由地表湖泊和河流蒸發進而降雨所構成的活躍循環，它是地球之外唯一一個已知具有類似循環的天體。土衛六的河流會注入河谷盆地，形成小到湖泊、大到海洋水體。其中最大的克拉肯海表面積達400000平方千米。相比之下，地球上蘇必利爾湖的面積為82100平方千米，黑海則為436400平方千米。
但這些海洋並不是由液態水構成的。相反，以目前仍未知的比例，它們是由乙烷、甲烷和其他碳氫化合物所構成的。儘管科學家們認為甲烷降雨量是乙烷的100倍，但它的揮發性也更大，會更快地從地表蒸發。隨著時間的推移，在一個長時間存在的水體中，更為穩定的乙烷會越來越多，因此乙烷可能佔據了土衛六大型海洋的主導。
類似地球上斯堪的納維亞峽灣的崎嶇海岸線遍佈於土衛六海洋的周圍。但一些較小的湖泊則顯示出了不同的特徵。它們似乎具有圓形、橢圓形或弧線形的湖岸線，並往往具有陡峭的邊緣。其中有許多類似於地球上的圓形湖泊，它們是由消退的冰川所留下的冰塊融化所形成的。在地球上，這些區域往往存在裂縫且多孔，水可以在地表之下流動。在土衛六上，這些湖泊區域可能會流入一個地下含甲烷層網，從而流到海岸最終注入海洋。如果是這樣的話，這個地下河網會對土衛六大氣中的甲烷產生顯著的影響。
土星衛星土衛六上最大海洋克拉肯海的雷達影像。土衛六湖泊和海洋中的液體主要是甲烷和乙烷。取決於表面對雷達波的反射特性，其中的液體用藍色和黑色表示。版權：NASA/JPL-Caltech。
科學家們已經提出了許多未來的計劃來探測這顆另類衛星上的海洋。其中之一被稱為土衛六海洋探測器，它將在土衛六第二大海麗姬婭海的表面漂浮數周或數月。研究表明，天然的洋流會讓這個探測器環海一周，它可以在許多地點對環境採樣。
另一個提議則是一艘土衛六潛艇。它將由一架類似美國X-37B的無人迷你太空梭來運送。在濺落之後，它們會對土衛六海洋的表面和深處同時進行研究。
更遠的冥王星海洋
另一個隱蔽的海洋可能就潛藏在我們最鍾愛的矮行星冥王星的表面之下。作為冥王星心形標誌的「人造衛星平原」為科學家們提供了那裡存在一個地下水體的線索。冥王星及其最大的衛星冥衛一在潮汐鎖定下始終只有一面朝向彼此。人造衛星平原就位於冥王星和冥衛一反向延長線的中心。它的位置告訴天文學家，這個廣闊的平原是一個比周圍的環境更重的質量異常區。但這著實令人費解，因為它極有可能是一顆大質量柯伊伯帶天體撞擊冥王星表面所形成的。然而，如果冥王星擁有一個禁閉的海洋，那麼對「人造衛星平原」的撞擊會使得其冰殼變薄，下方的海水則會上涌。由於水比冰密度大，這一區域的質量就更大。
一些模型認為，這個海洋可能是全球性的，深達100千米，比死海還咸。其他的模型則提出冥王星的地下存在一個雪泥海。但目前都沒有定論。有很好的證據表明在人造衛星平原下存在物質聚集，其最好的解釋是液態水。
不過，讓人振奮的是海洋似乎是極為普遍的。木衛二、土衛二、木衛三、土衛六和冥王星上埋藏的海洋迫使我們在尋找地外生命的過程中挖掘得更深。這些隱藏的海洋以及土衛六表面上的奇特海洋可能擁有著另類的化學過程和新形式的生命，在那裡外星生命興許可以蓬勃發展。
本篇文章作者：謝 懿/編譯
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