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土卫二:地外生命存在的地方?
来源 : 科学之家   发布时间 : 2016-02-29 11:19

图片说明:从卡西尼号太空船上拍摄的恩格拉多斯表面喷射出的羽状物。 图片来源:NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute


土卫二,又名恩克拉多斯(Enceladus),是土星的第六大卫星,直径502公里,同时也是一个被冰覆盖的卫星。自从1980年代被美国航空航天局(NASA)的旅行者号探测器发现以来,土卫二就一直让科学家们着迷不已。

目前,这颗卫星正将羽状冰粒释放到太空,其中包括甲烷、二氧化碳和一些简单的有机化合物,这使得科学家们猜想土卫二上可能存在可供生命存在的环境。近日,发表在Nature上的一项研究成果表明,土卫二内部海洋与岩核间的水发生化学反应,有可能会为水中微生物提供足够的能量——这一过程类似于地球海底的热水喷发。该研究预测,这种反应可能会产生氢分子,应该可以在喷射的羽状物中被检测到。

表面裂缝喷出的羽状物

2005年,当卡西尼号探测器刚刚抵达土星轨道时,便发现了土卫二南极附近表面裂缝中喷射出的羽状物。

因此,卡西尼号被安排重新多次飞越过这些羽状物,以便设备测量其成分。测量结果显示,喷射出的冰粒子中包含有甲烷、氨、一氧化碳、二氧化碳、简单的有机化合物和盐,以及大小约为十纳米(十万分之一毫米)的二氧化硅纳米微粒。

最近,研究人员发现,喷射出的羽状物不仅来源于土卫二南极地区巨大的地下液态水库,还来源于夹在冰壳与岩核间遍及全球的内部海洋。

由于土卫二并不是完美的球形,它在绕土星公转时,其公转速度在轨道的不同区域并不相同,有些地方稍快,有些地方稍慢。土星巨大的引力灵巧地拉扯土卫二,形成不同的潮汐应力,并使其内部岩核来回晃动,同时导致岩核与海水间产在相互作用,从而产生大量的热量。这些热量为裂缝中喷射出的羽状物提供能量,通过所谓的“热液循环”被转移到内部海洋。在这一过程中,冷水被引入到岩石层,并在加热后携带着岩石层丰富的化学物质从海底溢出。

水与岩石的化学反应

最新的研究揭示了冷水被引入到岩石层后所发生的化学反应。研究小组进行了相关实验,在一定压强下,他们将盐水冲过加热后的粉末状岩石层样本,盐水中所含的成分及施加的压强与土卫二保持一致。实验中,研究人员不断改变粉末状岩石层样本的温度,并测量不同温度下盐水冲过样本后,水中化学成分的变化。结果发现,在50-350摄氏度的条件下,盐水中的化学成分与喷射的羽状物中的化学成分相吻合。研究人员还发现,在这一温度下,盐水中甲烷和二氧化碳可以同时存在(这与在土卫二上的观察结果一致),同时氨也可以在不转化为氮的情况下存在,这或许可以解释为什么在土卫二表面裂缝中喷射的羽状物中没有观察到氮。

另外,岩层中溢出的热水还会产生一种胶体,而羽状物中的二氧化硅纳米微粒就产生于这种胶体。这些二氧化硅纳米微粒最能解释岩石层是否有与碳质球粒陨石(最原始的一种陨石)相似的成分。这表明在太阳系中,土卫二的岩核形成时间非常早,并且从未熔解或化学演变成为其他类型的岩石。此外,通过实验研究人员中还预测,水与岩石发生化学反应后会产生一个副产品——氢分子,但目前土卫二上还未发现氢分子。

甲烷生物?

土卫二表面裂缝喷出的羽状物使其成为一类独特的、为数不多的活跃卫星中的一员。需要特别注意的是,这项新研究中提到的水与热岩石之间的相互作用可以被微生物利用。类似的情况也会发生在地球深海底喷发的热水中,微生物从化学反应中获取能量,这些化学反应将溶解的二氧化碳与氢转变为生物质(一切有生命的可以生长的有机物质)、甲烷和水。这种代谢途径称为甲烷的产生过程,过程不需要阳光。事实上,整个生态系统可以通过产甲烷的微生物的维持而存在,而不是通过我们熟悉的光合植物。

图片说明:地球上深海底的热水喷发,白色的"烟"是当热水从喷口逸出后与海水混合所沉淀的化学物质。 图片来源:NOAA/Wikimedia

深海底的热水喷涌十分吸引人。一些研究人员猜测,这些热水的喷发口可能是地球生命最初起源的地方,并正在对此进行研究。一些团队正在构建一个“生命起源反应堆”,试图模拟深海底的热水喷涌,从而进行相关研究。

至于土卫二海底的热水喷发口附近是否存在微生物或更高级别的物种,这在很长一段时间内可能仍是一个谜。尽管土卫二将这些喷发的羽状物洒向太空,卡西尼号可以不用着陆及冰下作业就能采集到羽状物的样本,但是卡西尼号上的设备并不是为了直接检测和分析生命的存在而设计开发的,而是为了采集宇宙尘埃和土星的一颗更大的卫星——泰坦(Titan)的外层大气而设计的。但是,如果在羽状物中发现氢分子,那么我们就知道,至少土卫二的环境条件很有可能适合生命的存在。

关于土卫二是否存在生命的后续研究,很大程度上取决于美国宇航局对"土卫二生命发现者"项目(Enceladus Life Finder, the ELF mission)或其他类似项目的资助。

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