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原创:漫话宜居星球探索[连载八]-14

热度 2已有 773 次阅读2019-1-4 23:05 |个人分类:宇宙探索与宇宙地质|系统分类:科技教育| 漫话, 宜居, 星球, 探索, 漫话 分享到微信

5、土卫二

、土卫二及其基本信息

土卫二(Enceladus,恩克拉多斯)是土星第六大卫星,于1779年由威廉·赫歇尔所发现。在旅行者号于1980年探测土星之前,人们只知道土卫二是一个被冰覆盖的卫星。旅行者号显示,土卫二直径约为500公里(相当于土星最大卫星土卫六直径的1/10,而且其表面几乎能反射100%的阳光。旅行者1号发现,土卫二的轨道位于土星E环最稠密的部分,表明两者之间可能存在某种联系。而旅行者2号则发现,尽管该卫星体积不大,但是在其表面既存在古老的撞击坑构造,又存在地质活动所造成的、较为年轻的扭曲地质构造;其中一些地区的地质年代甚至只有1亿年。

土卫二是在外太阳系中迄今为止观测到的、存在地质喷发活动的3个星体之一(另外两个分别是木卫一和海卫一)。分析认为,喷射的物质是星体表面以下的液态水。同时,在喷射的羽状物中,还发现了奇特的化学成分。因此,土卫二也被认为是天体生物学的重要研究对象。此外,喷射现象也为E环的物质来源于土卫二的观点,提供了重要证据。

土卫二基本信息如下:

体积:513.2×502.8×496.6公里

平均半径:252.1±0.1公里(0.0395倍地球半径)

质量:(1.08022 ± 0.00101×1020千克

平均密度:1.6096±0.0024 /立方厘米

赤道表面重力:0.111 /秒(0.0113倍地球表面重力)

宇宙速度:0.239 公里/(860.4 公里/小时)

自转周期:同转卫星

轨道长半径:237948公里

轨道周期:1.370218地球日或118386.82

轴倾斜:0

反照率:1.375±0.008(几何反照率)

表面温度:最高32.9 K,平均75 K,最低145 K

视星等:11.7

表面压力:极小,但变化很大

大气组成:水汽91%,氢4%,二氧化碳3.2%,甲烷1.7%

命名:恩克拉多斯

、土卫二生命探索

土卫二是土星第六大卫星。它虽然比较小,但是却可能孕育着生命。实际上,土卫二是三个外层太阳系星体中,观察到有火山喷发的星体之一。更为重要的是,它的喷发物包含大量的水。这使得许多专家相信,这颗卫星冰冷的表面下存在着一个液态的海洋。有水的地方,就可能存在生命。

、土卫二南极地区的重要发现

2005714日,科学家在卡西尼号飞掠土卫二时拍摄的照片中,发现了一个位于其南极地区的、发生过构造变形的特别地区。它位于土卫二北纬60°地带。其间遍布裂缝和山脊,同时也存在着少量微型撞击坑。这表明,它们是土卫二表面最年轻的地貌形态,同时也是所有中等大小的冰冻卫星上的最年轻地貌形态。其间的撞击坑构造表明,该地区的某些地方可能只有5万年的历史,甚至可能更为年轻。靠近该区域的中心区,分布着4个裂缝带,以及众多的山脊。这些山脊被非正式地命名为“虎皮条纹”。这些裂缝可能是该地区最年轻的地质构造。它们的四周分布着呈薄荷绿色、带有粗糙纹理的冰体。这些冰体在其它地区常常出现在岩石露头中或裂缝壁上。在该地区的平坦地带,也发现了“蓝”冰。这表明,该地区十分年轻,以致还未来得及被覆盖上一层来自E环的、带有细密纹理的冰体。可见光和红外线测绘分光计(VIMS)的探测结果表明,分布于“虎皮斑纹”四周的绿色物质,在化学结构上与土卫二的其它地表物质存在差异。同时,在“虎皮斑纹”中发现了透明的冰体。这说明,这一地质构造十分年轻(可能少于1000年),或者该地质构造表面的冰体近期曾受到热源影响。另外,该仪器还在“虎皮斑纹”中测得结构较简单的有机化合物。这在该卫星上尚属首次发现。

卡西尼号对土卫二南极地区分布“蓝”冰的地区之一进行了观测,并拍下了高分辨率的照片。这些照片显示,该地区存在着剧烈的地质构造变形,并发现了一些直径为10100米的巨石。

土卫二南极地区四周,环绕着一系列相互平行的、呈Y形和V形的山脊和峡谷。这些山脊和峡谷的形状、走向和位置,都表明它们是由土卫二的整体构造形变所造成的。现在,存在着两种理论解释这种地貌产生的原因。第一种理论认为,土卫二绕土星运行的轨道缩小了,从而导致土卫二自转速度的提高,这种变化进而导致土卫二自转轴的调整。第二种理论认为,大量从土卫二内部喷发出来的温暖的、低密度的物质,导致这种地貌所在区域,从土卫二南半球中纬度地区,位移至高纬度地区。结果,土卫二的椭球体,因为这种变化做出相应的调整。根据自转轴变化理论所得出的推论结果之一,是土卫二的南北两极均曾经有过类似的变化。不过与推论相反,土卫二的北极地区却密布着撞击坑,并且地质年龄也较南极地区老得多。土卫二地壳厚薄不均,或许可以解释这种差异。这种地壳厚度的变化,得到了南极地区边缘Y形、V形地貌和毗邻南极地区的地质年龄之间相互关联的佐证:Y形的、不连贯的地貌和纵贯南北的断裂带,都是较年轻的地貌,推测也认为,与这种地貌对应的是地壳厚度较薄;而V形地貌则毗邻着那些地质年龄较老、撞击坑分布稠密的地区。

喷发水和其易挥发物质冰火山

20世纪80年代初期,旅行者号对土卫二进行观测之后,科学家们基于以下理由认为,土卫二可能存在着地质活动:年轻的、具有高反射度的表面和它处于土星E环核心区的位置。土卫二和E环的联系,使科学家猜想认为,土卫二正是土星E环上散布的物质的来源,即从土卫二内部喷射出来的水蒸气,最终构成了土星的E环。不过,旅行者号的观测结果,未能提供确凿证据证明土卫二现今仍处于地质活跃状态。

土卫二上没有降雨,但是它表面存在间歇泉,有大量水蒸气从间歇泉里喷射出来,这个过程被称作冰火山(cryovolcanism)喷发。

通过卡西尼号多种仪器的观测,科学家最终发现,土卫二上存在着喷发水和其它易挥发物质、而非硅酸盐石块的冰火山。20051月和2月,卡西尼号上的成像科学子系统(ISS),首次观测到土卫二南极地区喷发出的、由细小冰晶构成的羽状物。在2005217日的观测中,磁力计观测到的关于土卫二大气的数据,也证明之前成像科学子系统所观测到的现象是真实的。该数据显示,当时土卫二附近的离子回旋波的能量有所增强。离子回旋波是离子和磁场相互作用的产物。通过测定离子回旋波的频率,可以确定物质的组成。经过测定,这种物质是经过电离的水蒸气。在其后的两次观测中,磁力计发现,土卫二大气中的气体大部分都集中于南极地区;其它地区的大气浓度则相对十分稀薄。在217日和714日的观测中,紫外线摄谱仪(UVIS)观测到两例掩星现象。在2月的观测中,紫外线摄谱仪未能找到土卫二赤道地区存在大气的证据,但是在7月观测掩星现象的过程中,探测到了水蒸气的存在。

卡西尼号偶然穿越了气体云,离子和中性粒子分光计(INMS)和宇宙尘埃分析仪(CDA)从而能够直接获取羽状物的样本。离子和中性粒子分光计,对气体云的物质组成进行了测定,发现其中大部分为水蒸气,并包含少量的分子态氮、甲烷和二氧化碳。宇宙尘埃分析仪,发现“越靠近土卫二,颗粒物质数量越多”,这证明土卫二的确是土星E环物质的主要来源地。离子和中性粒子分光计以及宇宙尘埃分析仪的数据表明,卡西尼号穿越的气体云,确实为冰火山所喷发的、富含水分的羽状物;这种羽状物来源于南极地区的冰火山喷射口。

200511月,这种喷射活动得到了进一步的确认。成像科学子系统,拍摄到了土卫二南极地区类似喷泉的冰晶喷射活动(实际上,20052月,卡西尼号已经拍摄到羽状物,只是仍然需要进一步对高相位角度拍摄的照片,即当太阳处于土卫二身后时所拍摄的照片,进行研究以真正确认其存在。这些照片还需要同其它土星卫星的高相位照片进行对比)。11月的观测结果显示了羽状物的完整结构,而且发现该羽状物由数个独立的喷射活动的喷射物(或许来自数个不同的喷射口)共同构成,并且扩展至距土卫二表面近500公里的空间。这一观测结果,使得土卫二成为第四颗被证实存在火山活动的太阳系天体;之前的三颗分别是地球、海卫一和木卫一。200710月,在成像科学子系统观测到尘埃喷射活动的同时,紫外线摄谱仪也观测到了气体喷射活动。

2008312日,卡西尼号观测数据显示,羽状物中含有更多的化学物质,包括简单的和复杂的碳氢化合物,如丙烷、乙烷和乙炔。这项发现,提高了土卫二表面存在生命的可能性。卡西尼号上的离子和中性粒子分光计,对羽状物的物质组成进行测量后发现,其与大部分彗星的物质组成相近。多种观测仪器的观测结果表明,在土卫二南极地区,这种从受压的地下腔室中喷发羽状物的活动,类似地球上的喷泉。由于离子和中性粒子分光计和紫外线摄谱仪,均未在喷射物质中发现氨-该物质能够起到防冻作用,因而科学家预测,在土卫二地下受热、受压的腔室中,流动着温度至少达到-3、近乎纯净的液态水。由冰融化为纯水,比之氨水混合物的融化需要更多的热量。这种热量可能来自引力潮汐能或辐射源所产生的能量。另一种产生羽状物的途径,是土卫二表面温暖的冰的升华。2005714日,卡西尼号上的红外成份分光计(CIRS),在靠近土卫二南极点的地区,发现了一个温暖区域。该区域的温度达到了8590开尔文度(K)(1K=272.15℃),部分区域的温度甚至高达157开尔文度(-116),远较地表接收阳光辐射产生的温度高。这表明,该区域受到了土卫二内部热源的加热。在这种温度下,该区域的冰体能够以较其它区域冰体快得多地速度升华,并产生羽状物。这种假说受到了较多关注,因为如果加热地表冰体的地下层物质为呈半流质状态的氨水混合物,那么不需要太多的能量就可以产生羽状物。不过,羽状物中富含的大量冰晶,显然更支持“冷喷泉”模式假说,并削弱了冰体升华假说的可信性。

此外,基辅等人还提出了笼型水合物的来源理论。该理论认为,当“虎皮斑纹”地貌破裂时,蕴藏于其中的二氧化碳、甲烷和氮暴露于真空之中,从而被释放出来。该理论并不需要“冷喷泉”模式假说中用于融冰的热能的存在,也能在缺少氨的情况下解释得通。

、液态水存在的可能性

2008年,科学家们观测到从土卫二表面喷出的水蒸气。这一观测结果证明,该卫星上存在着液态水,并且支持了土卫二有可能存在生命的观点。

坎迪斯·汉森是美国航空航天局位于加州的喷气推进实验室的一名科学家。在发现了这些速度高达2189公里/小时(这种速度十分罕见,往往只有在含有水的情况下才能达到这种速度)的羽状物后,他领导一个团队开始研究这些羽状物。

卡西尼号提供的资料显示,在土卫二的冰冻表面之下可能存在着一个全球性的海洋。卡西尼号对其所捕获的冰晶颗粒进行分析后发现,这些冰晶颗粒是由盐水凝集而成的,而这种状况一般只发生于大面积的水体之中。因此,土卫二上也可能存在外星生命。另一种观点则认为,土卫二上存在的并非大面积的海洋,而是分布广泛的溶洞,这些溶洞之中充满了液态水。

2009813日,科学家对外公布了对土卫二南极地区喷射出的水蒸气进行分析的最新结果,他们在冰晶颗粒中发现了高浓度的盐分。此外,卡西尼号还发现了诸如碳酸盐和尘埃颗粒等有机化合物的踪迹。这些证据都有力证明,在该卫星表面之下存在着一个海洋。其中的尘埃颗粒,甚至可能提供关于海洋的细节情况,而通常获取这些情况需要进行深层钻探。

土卫二地表下液态水的存在表明,在其内部存在着内部热源。现在,科学家相信,放射性衰变和潮汐效应共同提供了液态水存在所需要的热量。因为,单是潮汐效应是无法提供如此多的热量的。例如,土星的另一颗卫星土卫一,比土卫二更为靠近土星,且其轨道离心率更大;这意味着相比于土卫二,土卫一受到了更为强大的潮汐效应的影响;但是土卫一老旧而布满创伤的表面表明,该卫星似乎早已停止了地质活动。

、断言土卫二存在生命为时尚早

美联社分析说,土卫二存在生命这一假说具有重大意义。若经证实,土卫二便具备了产生生命的三大条件:持续的热源、有机物和液态水。马特森说:“这告诉我们,以土卫二的内部条件,它曾经或仍然可能发生生化反应。”当然,一切假说毕竟只是一种合理猜测。现在断言土卫二上是否存在生命为时尚早。

土卫二可能存在开花植物样的生命

据《新科学家》杂志报道,美国普林斯顿物理学家和未来学家弗里曼·代森表示,寒冷的土卫二上可能存在像开花植物那样的生命,因为在地球北极地区就发现有开花植物,而地球北极和木卫二的环境非常类似。因此,太空船应该在木卫二上寻找花朵,这很容易发现。










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发表评论 评论 (2 个评论)

回复 kingkuohu 2019-10-15 23:08
谢谢表态朋友的支持!问好!
回复 kingkuohu 2019-1-5 22:36
谢谢meiwen!新年快乐!

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