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原创:漫话宜居星球探索[连载八]-15

已有 581 次阅读2019-1-10 22:37 |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

6、土卫六

、土卫六及其基本信息

土卫六(Titan,泰坦),由荷兰物理学家、天文学家和数学家克里斯蒂安·惠更斯,于1655325日发现。它也是在太阳系内,继木星伽利略卫星发现后发现的第一颗卫星。由于它是太阳系唯一一个拥有浓厚大气层的卫星,因而被视为一个时光机器,有助于人们了解地球最初期的情况,揭开地球生物如何诞生之谜。

土卫六是土星最大的卫星,也是太阳系第二大卫星,其体积大于水星(虽然质量没有水星大);在太阳系中它的大小仅次于木星最大的卫星木卫三。但是,观测显示,其浓密的大气可能使人们过高地估计了它的直径, 如同许多其它卫星一样。土卫六比冥王星的质量和体积都要大。土卫六的质量与木卫三、木卫四、海卫一、小行星134340大体类似。

土卫六的一半是水冰,一半是固体。在多个不同结晶状冰层的3400千米以下,有一个固体核心。其核心内部应该仍然是炽热的。虽然土卫五以及其它的土星卫星也与之类似,但是土卫六的核心密度更大。这是由于它的巨大体积导致重力压缩其内部而造成的。

土卫六的基本信息如下:

平均半径:2575千米

质量:1.345×1023千克

平均密度:1.880×103千克/3

公转轨道半长径:1221850千米

偏心率:0.0292

轨道平面与土星赤道面的交角:0.33°

公转周期:15224124

自转周期:与公转周期相同(与月球类似)

大气主要成分:氮

表面大气压力:1.5×105帕斯卡

表面温度:-178

、土卫六生命探索

有明显证据表明:土卫六表面存在着完整的液态湖泊。尽管湖泊里面的液体不是由水而是由碳氢化合物-液态甲烷组成的,但是它却是复杂有机化合物产生的理想温床。不仅如此,土卫六厚厚的大气里还包含着氮等构建生命的成分。

A、发现有生命存在迹象

据英国媒体201065日报道,美国航空航天局(NASA)日前表示,他们已经在土卫六(泰坦)上发现有生命存在的迹象;某种未知生物正在呼吸着土卫六的大气,并且以土卫六地表的燃料为食。

NASA的研究结果,主要建立在由美方和欧洲航天局主持进行的、针对土星的“卡西尼·惠更斯” 号科学考察任务上。“卡西尼”号土星探测器,利用先进的红外光谱技术,对土星及其卫星的地表特征、大气层、光环和磁场等进行了深入研究。“卡西尼”号土星探测器,在20087月发现,土卫六南极地区存在一个比北美安大略湖还要大许多的湖泊。这样,土卫六就成为人类迄今为止,在太阳系中发现的第二颗存在液体的星球,也是目前已知与地球最为相像的卫星。

报道称,“卡西尼”号土星探测器,深入分析了土卫六表面的化学成分。最终发现,有机化学物质遍布在这个面积比月球大1.5倍的星球上。不过科学家称,土卫六湖泊里的液体不是水,而是液态甲烷。因此,他们估计,曾经生活在土卫六上的生命是以甲烷为基础的。

  对于是否存在生命这一点,NASA在报告中指出,首先,土卫六大气中的氢气在吹拂到星球表面时就没有了,这表明氢气是被“泰坦虫子”呼吸掉了;其次,“卡西尼”号土星探测器发现,土卫六表面缺少一种特殊的化学成分。科学家因此认为,这些化学物质是被某种生命消耗掉的。

NASA天体生物学家克里斯·麦凯称:“如果我们发现的这些信息真的是生命存在的迹象的话,那么简直是太令人激动了。因为这预示着宇宙中还存在着除水基生命以外的、另一种以甲烷为基础的生命形式。”

科学家相信,土卫六的化学组成,非常适合生命的进化和成长。再过40亿年,地球就会被膨胀了的太阳吞没;不过到那时,土卫六自然会发展成为另一颗适合地球生命生存的星球,成为第二个人类的理想家园。

另据报道,天文学家认为,土卫六上分布着众多由液态甲烷和乙烷构成的湖泊。这颗卫星的寒冷程度超过南极洲。科学家表示,虽然土卫六上面更加寒冷,但是它上面的风、雨和构造过程,使它成为太阳系中与地球最相像的天体。虽然这颗卫星低达-180的平均表面温度会使水始终保持固体状态,但是它表面存在液体甲烷和乙烷,这些物质可为生命提供一个栖息地。8-25

B大气层可能形成有机物质和早期生命形式

据美国科学日报报道,西班牙格拉那达大学和瓦伦里亚大学的物理学家们,通过分析“惠更斯”探测器对土卫六的特殊观测数据,明确证实,土卫六大气层中存在着雷电风暴等自然电活跃性活动。科学团体认为,有机分子、早期生命形式,可能形成于行星或卫星具有雷电风暴的高层大气层中。

自从1908年,西班牙天文学家乔西·科马斯·苏拉,发现土卫六具有大气层以来,在其它卫星上未曾发现过大气层的存在。他解释说,“在土卫六上形成着具有传递运动的大气云层,因此静态电场和暴风雨状况可以形成。依据俄罗斯生物化学家亚历山大·奥帕金的理论和斯坦利·米勒的实验,土卫六具有雷电风暴活动性的大气层,可能形成有机物质和早期生命形式。在该条件下,通过释放电量可从无机混合物中综合形成有机化合物。

C、孕育生命的有利不利因素

土卫六上存在丰富的有机化合物和氮等元素,与地球早期生命形成时的环境相似。土卫六上的氰和烃在一定情况下可生成腈,再被星球上的水冰水解,生成羧酸和胺类物质,而这两者可以生成具有重大意义的氨基酸。不过,土卫六上也存在制约生命孕育、存在的重要因素。一是温度过低;二是尚未发现液态水的存在;三是土卫六没有磁场保护,所以当它有时运行在土星的磁气层外时,便直接暴露在太阳风之下,辐射可能使生命无法存在。

D发现巨大的液态甲烷湖泊

土卫六表面的这个新湖泊覆盖面积有3.4万平方公里。它位于土卫六南极部位,具有部分湖泊特征。自从“卡西尼”探测器2004年抵达土星体系,科学家就致力于研究土卫六极地附近液态甲烷湖泊的特征。该项研究证实,大型寒冷的卫星也存在着甲烷雨。

科学家指出,虽然这种新湖泊只是浅薄的沼泽地,但是观测数据显示,当暴风雨来到时,湖泊将形成足够深、奔流向前的液态甲烷。前不久,美国约翰斯·霍普金斯大学应用物理实验室的行星科学家伊丽莎白·图特尔说:“土卫六表面的雷暴模型显示,一次暴风雨便可形成数十厘米深的甲烷雨水。”美国宇航局戈达德太空研究协会研究小组成员托尼·德尔杰尼奥称,这项研究证实,土卫六表面存在液态甲烷的最直接证据。

图特尔说:“人们看到土卫六上空的这种云层,非常类似于地球的云层。同时人们发现,该区域表面有液体洪流的迹象。”德尔杰尼奥补充指出,“卡西尼”探测器、科学家,在此之前并未注意到这个新湖泊的形成。当时,由于科学家们意识到,该区域可能出现大雨,便投入了更多精力观测出现大雨的特征,而忽视了土卫六表面形成新湖泊的迹象。

科学家非常兴奋,这项研究发现揭示了土卫六的气候特征变化。当2004年“卡西尼”探测器抵达土星体系时,正值土卫六南半球的夏季,北半球处于冬季,暴风云主要聚集形成于土卫六南极地区。季节正接近于春分,这儿不再有任何南半球暴风。德尔杰尼奥说:“暴风雨主要集中在中纬度地区,偶尔会出现在低纬度地区。”

E土卫六即45亿年前的地球

在人们的印象中,火星一直是地外生命存在和人类移民的理想场所。但是,随着土卫六的面貌逐渐地被揭开,这种观点渐渐地淡化了。人类研究发现,土卫六就是45亿年前的地球。土卫六具有两个生命偏爱的特征,那就是:沸腾的有机化合物和浓密的有保护性的大气层。

土卫六是太阳系唯一拥有合格大气层的卫星,也是太阳系4个仅有的有着浓密大气层的岩石质星球之一。其它几个分别是地球、火星和金星。在某些方面,土卫六的大气层最像地球。它的大气主要由氮气组成,气压略高于地球。它上面甚至有云;只是这些云的成分是甲烷和其它碳氢化合物,而不是水。很多太空生物学家渴望,把土卫六大气作为地球大气的原型去研究;希望能够发现地球生命出现前,复杂有机分子是怎样产生的。

F土卫六的天空是橙色

从地球上观测,土卫六被一层浓密的大气层包裹着,使人不能窥其真容。而据光谱分析,其大气层中有着激烈的化学反应。在“惠更斯”探测器在土卫六表面成功登陆后,地球人借助“惠更斯”的眼睛,这才真正地目睹了土卫六的部分“容貌”。登陆器在仅有的30分钟“寿命”中,拍摄了大量图片。其中一张土卫六地表图片让世人震惊;在广阔的平原上,散布着大大小小的石头和冰状物体,橙色的天空令人着迷。这是人类首次登陆这片神秘的土地;而这里是否会孕育着生命?科学家们充满期待。

G土卫六上有湖泊

2005629日,围绕土星轨道运行的“卡西尼”飞船,拍摄到的一张照片再次让世人震惊。照片显示,土卫六南极地带有一处地貌很像湖泊。经过观测,这处地貌长约234公里,宽度近73公里,看起来是一个边界平滑蜿蜒的暗斑,周围是浅色的土卫六云层。美国宇航局下属喷气推进实验室的科学家认为,这很可能就是土卫六表面的液态甲烷湖泊之一;而甲烷是类地生命生成前必须的元素之一。 “卡西尼”将39次飞过土卫六,如果哪次拍摄到这个“暗斑”像镜面那样反光,那么就可以证明它是真正的液态湖泊。如果得到证实,那么我们有理由相信,这里即将会孕育出新的生命。

H土卫六孕育出生命

“地外生命”是否存在?我们的地球探测器,每次“出访”外星球,都是带着这个疑问去探询的。目前,在太阳系中,火星和土卫六是最具有存在生命条件的星球。尽管这里面存在一些想象,但是从“卡西尼”的探索成果来看,土卫六的形态和45亿年前的地球极其相似。根据分析,从目前土卫六的活动来看,如果不出现意外,那么一个新的类地生命将会在1520亿年后出现在土卫六上。到那时,人类在太阳系当中将不再孤独。

I比火星更安全更宜居

地球不是我们永恒的家园;而我们的生命之源太阳,也只剩下50亿年的生命了。再过20多亿年,太阳本身的核聚变将会发生很大的变化;太阳将慢慢地膨胀,火星都将被太阳无情地吞没,更别说我们的地球了。而我们人类,又将是怎么样的命运呢?幸好,我们在21世纪初,至少从表面上了解到了土卫六的大体概况;而这些概况,又使我们相信,那里是我们人类移民的理想地点,而且比火星强得多。首先,土卫六上有厚厚的大气层;这是抵御宇宙任何侵害的最有力的屏障。其次,土卫六远离太阳,即使是太阳膨胀后,也对它产生不了影响。另外,原本寒冷的土卫六,将被膨胀的太阳的体温“暖和”到人类可以接受的地步。再加上,那时候土卫六上的大气压力,已基本上适合类地生命生存,这里将变成人类的又一个家园。以上这些,在火星上是很难办到的。

J湖泊的特征和漫长的四季

最新观测显示,土卫六表面最大湖泊光滑如镜,湖泊液体是像蜂蜜一样稠密的甲烷和乙烷,湖泊表面落差不超过3毫米。

美国斯坦福大学的霍华德·泽伯克尔是该研究小组成员之一。他说:“除非你将混凝土倾注在湖泊中,才能实现真正意义上的平滑。这种类型的湖泊在地球上是不存在的。”天文学家曾经怀疑,土卫六是干燥还是潮湿的;大量证据显示,土卫六上存在着液态湖泊。

“卡西尼”探测器的雷达装置于2004年抵达土星区域,在土卫六极地发现暗色斑块。由雷达装置探测到的黑暗区域,暗示着该区域非常平滑,暗示着液态湖泊表面非常光滑,难以反射探测信号。

光谱数据显示,土卫六表面清晰可见的湖泊充满着甲烷和乙烷;在土卫六冰冷的表面甲烷和乙烷可以液态形式存在。泽伯克尔称,从形态学角度讲,它们看上去就像是湖泊。但是,之前雷达观测数据显示,这个清晰湖泊的形成具有一定角度;同时并不可能从湖泊表面反射明亮的雷达闪烁光线。从而显示,该湖泊可能是干燥河床或充满烟灰的泥尘底部。

目前,研究人员称,卡西尼探测器的雷达装置,对土卫六表面最大的湖泊“安大略湖(Ontario Lacus)”进行了观测。该湖泊在南极的跨越直径为235公里,其雷达反射信号非常强。该项研究负责人斯坦福大学的劳伦·怀伊说:“这就像是你持有一个手电筒,直接对着镜子进行照射,其直接反射的光线会强烈刺激你的眼睛。”

卡西尼探测器的雷达回波数据显示,数千平方米湖泊表面的起伏落差却不超过3毫米;这比之前所观测的数据平坦10倍。怀伊告诉《新科学家杂志》说:“真的很难想像,即使是固体表面其表面光滑程度仅在毫米范围之内,更何况是液态湖泊表面。”

之前的观测数据显示,该湖泊处于液体状态,并不是干燥的泥潭。泽伯克尔说:“如果你走在湖泊旁看到干燥后的湖泊,那里的泥水已干燥蒸发,看上去可能非常平坦,但是干燥后的泥潭会出现深深的裂缝。我们可以推算,土卫六表面的安大略湖,可能是我们从未看到过的光滑湖泊。

土卫六表面存在液体的证据,增强了土卫六和地球之间的相似性。土卫六是太阳系唯一具有活跃气候循环的星体;其表面的湖泊蒸发液体形成云层,然后降雨再返回至表面,形成河流和通道。这使得土卫六成为太阳系最佳支持生命体存在的候选星体之一。

如果土卫六存在液态湖泊,那么其表面必然存在着风流。早期的计算机模拟预测,土卫六湖泊波浪是地球湖泊波浪的7倍高。泽伯克尔说:“目前的这项最新研究与之前的推测背道而驰,这是一种特殊的湖泊,很可能其表面较为粗糙,但是我们并未观测到起伏波浪的迹象。虽然我们并不清楚低温状态下甲烷和乙烷的物质特性;但是我们推测,该湖泊的液体非常稠密,具有一定的黏性,就像是蜂蜜一样。”

研究人员指出,土卫六极地存在着交替的季节,能够缓和调节恶劣的气候。但是,其季节变更非常慢。土卫六1年的时间,相当于地球30年的时间。目前,土卫六南极地区正处于夏季向秋季的过渡时期。

美国亚利桑那州立大学的乔纳森·卢宁说:“这是土卫六极地区域一年时间内处于静止休眠状态的阶段。总的来讲,土卫六表面湖泊充满液体的证据是确凿的,我们认为安大略湖充满着液体。”

泽伯克尔称,我们下一步还必须深入分析该湖泊的中部,通过一些间接的测量方法和模型进行分析。

K类似地球早期阶段的复杂分子结构生命起源前有机分子

据美国太空网的报道,在过去的30年里,科学家已经知道一种叫做索林斯(tholins)的复杂碳化合物,存在于彗星和太阳系其它行星的大气层中。在理论上,索林斯可以与水进行叫做水解的化学反应,从而制造出类似于地球早期阶段的复杂分子结构。

在地球上,复杂有机分子被认为是生命形式出现的早期阶段,比如被称为生命起源前的混合物。土卫六主要是由冰物质构成的。许多冰在陨星碰撞或地下活动中可能融化,生成“冰火山”喷射出包括混合氨气和水的“岩浆”。

形成于土卫六大气层中的索林斯,是否通过陨星碰撞或冰火山与液态水进行临时性反应,在水冻结之前生成潜在的生命起源前有机分子?直至目前,对此仍然没有科学家可以准确地进行解释。

美国亚利桑那州大学行星科学系研究生凯瑟琳·尼什在实验室里进行了为期多天的研究。她在近冰冻温度条件下,通过水解形成类似索林斯的物质。她将这项研究报告发表在《天体生物学》杂志上。暴露在土卫六上的液态水,被认为持续存在了数百至数千年,像这样的固态冰融化成液态水的反应经常发生。很可能类似这样的反应同样发生于早期地球。

在实验室里,尼什在低温放电状态下,将5%甲烷和95%氮混合形成类似索林斯的一种有机混合物质。她将这种索林斯样本融解在水中,然后放置在40水环境中避免出现冷冻,进而测量其水解混合的比率。结果显示,10%的索林斯形成了有机混合物;它与水中的氧发生反应,形成了复杂的有机分子。

当尼什的研究报告发表在科学期刊上时,她的理论也遭到了批判。瑞塞勒理工学院研究员教授詹姆士·费里斯,从事土卫六大气层化学性质研究许多年。他指出,尼什的研究存在着“缺陷”,其原因是她使用放电方法形成索林斯;然而土卫六大气层很可能是通过紫外光线和带电辐射粒子形成索林斯的。

费里斯使用紫外光线混合类似土卫六大气层中的气体进行了一项实验。他说,“放电所形成的物质结构与紫外线光分解不一样,因此其水解时间也完全不相同。许多光化学进程形成的碳氢化合物并不与水发生反应。”

尼什对此作出反应,她指出,电子或等离子的释放,意味着模拟带电粒子的交互作用。她赞同费里斯所说的,紫外光线辐射形成索林斯,更像土卫六大气层中的薄雾。但是,她认为,这样形成的化合物多数不与水发生反应。

她承认,自己的研究工作并不能理想地呈现土卫六大气层的化学特性。她说,“形成在低压状态下的索林斯,要比高压状态下更像土卫六薄雾。你可以在低压状态使用紫外光线制造索林斯,但是不能在低压状态下使用等离子释放制造索林斯。我们实验所需的大量索林斯必须通过放电技术来制造,通过紫外光线光分解只能生成一小部分。”

尼什的另一项实验研究是,将在纯净水中进行索林斯水解反应,然而任何形式的水在土卫六上很可能混合了氨。她指出,近期将进行另一项采取氨和水混合的完整水解实验,预计很快将发布实验结果。

尼什的这项研究并不能完整地表现出土卫六行星的化学性质。该研究表明,类似的化学反应在液态水环境中,可生成显著数量的有机混合物。在土卫六表面,生命起源前分子,可能存在于碰撞陨坑和冰火山的融化水中。类似这样的进程,很可能发生于地球早期生命孕育阶段。那时的早期地球大气层,还未出现显著数量的氧气。

L、位居宜居星球榜首

行星宜居度指数,不同于地球相似度指数,它考虑一组完全不同的因素,如星球表面究竟是岩质的还是冰冻的、星球是否有大气层、是否有磁场等。

据国外媒体报道(20111128),一支由美国华盛顿州立大学科学家领导的、国际研究团队,近日对多个可能宜居的行星和卫星进行综合评估,设计出行星宜居度指数和地球相似度指数两大指标体系,对可能存在外星生命的星球进行可能性排序。其中,土星最大卫星土卫六和太阳系外行星Gliese 581g,分别位居两大指标排行之首,被认为是最宜居的外星世界。系外行星Gliese 581g位于天秤座内,距离地球大约20.5光年。科学家们的研究成果发表于《天体生物学》杂志之上。

7Gliese 581d

如前所述,在Gliese 581之前,已经被发现有两颗行星恰好位于其宜居带的两侧边缘地带,一颗位于内侧边缘(编号为c,即Gliese 581c),这里温度太高了;另一颗则位于外侧边缘(编号为d,即Gliese 581d),这里温度又太低了。

20074月,欧洲天文学家宣布发现一颗新类地行星,行星编号为Gliese 581d。它位于离地球不远的天秤座,质量是地球的5.5倍,大小是地球的1.5倍。它围绕距地球大约20.5光年的、编号为Gliese 581的红矮星旋转,距该红矮星的距离大约为地球距太阳距离的1/14。由于红矮星比太阳小得多、暗得多,也冷得多,因而科学家推测,这颗新行星的平均温度大约在040左右。在这种温度条件下,水可以保持液体状态,也比较适合生命生存。

20074月,科学家发现行星Gliese 581c处于适合生存区。而根据20094月最新的观测结果表明,其另一颗行星格利泽Gliese 581d,同样位于适居带内,并且根据其上的温室效应推算,该行星可能拥有供生命存在的液态水。研究者认为,该行星可能存在“深且巨大的海洋”。

Gliese 581d是天秤座中一颗名为Gliese 581恒星轨道上的一颗行星。它也是在太阳系之外发现的为数不多几颗与地球大小相当的行星之一。Gliese 581d所处的位置,非常有利于液态水的存在,因此有可能存在生命。由于它的表面极有可能覆盖着深厚的水体,它也成为首个“海洋行星”最有力的候选者。










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