土衛二

土衛二

土衛二(Enceladus)是土星的第六大衛星, 于1789年為威廉·赫歇爾所發現。 在旅行者號于1980年代探測土星之前,人們隻知道土衛二是一個被冰覆蓋的衛星。旅行者號顯示土衛二直徑約為500公裏(相當于土星最大的衛星土衛六直徑的十分之一),而且其表面幾乎能反射百分之百的陽光。旅行者1號發現土衛二的軌道位于土星E環最稠密的部分,表明兩者之間可能存在某種聯系;而旅行者2號則發現:盡管該衛星體積不大,但是在其表面既存在古老的撞擊坑構造,又存在較為年輕的、地質活動所造成的扭曲地形構造--其中一些地區的地質年代甚至隻有1億年。

為了探索土衛二,美國宇航局于二十世紀末發射卡西尼號太空船,並于二十一世紀初抵達土星附近,為科學研究提供了大量的資料。探究表明,土衛二是外太陽系中迄今為止觀測到存在地質噴發活動的三個星體之一(另外兩個分別是木衛一海衛一)。分析認為噴射的物質是星體表面以下的液態水;同時,在噴射的羽狀物中亦發現了奇特的化學成分,因此土衛二也被認為是天體生物學的重要研究對象。 

2015年3月,東京大學、日本海洋研究開發機構等與歐美的國際團隊一道,在土星的二號衛星--土衛二上發現存在熱水的環境。這是人類首次在太陽系中發現存在于地球之外的可供生命存在的環境。

2015年9月19日,NASA再次證實了在Enceladus表面覆蓋的冰層之下,確實有一片巨大的海洋。

  • 中文名
    土衛二
  • 外文名
    Enceladus
  • 別稱
    恩克拉多斯
  • 分類
    衛星
  • 發現者
    威廉·赫歇爾
  • 發現時間
    1789年8月28日
  • 質量
    (1.08022 ± 0.00101)×10²º千克
  • 平均密度
    1.6096 ± 0.0024 克/立方釐米
  • 表面溫度
    最低32.9 K  平均75 K  最高145 K
  • 逃逸速度
    0.239 公裏/秒
  • 反照率
    1.375 ± 0.008
  • 視星等
    11.7
  • 自轉周期
    同轉
  • 半長軸
    23萬7948公裏
  • 離心率
    0.0047

基本簡介

土衛二(Enceladus)是土星的第六大衛星,于1779年為威廉·赫歇爾所發現。在旅行者號于1980年代探測土星之前,人們隻知道土衛二是一個被冰覆蓋的衛星。旅行者號顯示土衛二直徑約為500公裏(相當于土星最大的衛星土衛六直徑的十分之一),而且其表面幾乎能反射百分之百的陽光。旅行者1號發現土衛二的軌道位于土星E環最稠密的部分,表明兩者之間可能存在某種聯系;而旅行者2號則發現:盡管該衛星體積不大,但是在其表面既存在古老的撞擊坑構造,又存在較為年輕的、地質活動所造成的扭曲地形構造——其中一些地區的地質年代甚至隻有1億年​。

土衛二

衛星命名

土衛二(恩克拉多斯)以希臘神話中的巨人恩克拉多斯命名。該名字及其他六顆第一批被發現的土星衛星的名稱都由威廉·赫歇爾的兒子約翰·赫歇爾在其1847年出版的《在好望角天文觀測的結果》(Results of Astronomical Observations made at the Cape of Good Hope)中率先提出。如此命名的理由是:土星所代表的農神薩圖爾努斯即為希臘神話中泰坦族的領袖克羅諾斯。

土衛二土衛二

國際天文學聯合會以阿拉伯文學作品《一千零一夜》中的人名和地名命名土衛二的地表構造。其中撞擊坑以人物命名,其他地質結構如深谷、山脊、平原和槽溝則以地點命名。迄今為止國際天文聯合會共正式命名了57處地質結構,另有22處于1982年為旅行者號所發現的地質結構亦得到了命名,此外,對2005年卡西尼號在其三次飛掠中發現的35處地質結構的命名也于2006年11月獲得了認可。這些被認可的命名包括了撒馬爾罕槽溝,阿拉丁隕石坑和錫蘭平原等。

探索歷史

1789年8月28日,威廉·赫歇爾在第一次使用他的1.2米望遠鏡——當時世界上直徑最大的望遠鏡——時發現了土衛二其實在1787年,赫歇爾就已經通過他的16.5釐米望遠鏡觀測到這顆衛星,隻是當時未得到確認。由于土衛二糟糕的視星等(高達11.7等),同時它又靠近明亮得多的土星及其光環,從地球上很難觀測到這顆衛星,隻有通過透鏡直徑達15-30釐米的望遠鏡才能觀測到,這還取決于當時當地的大氣狀況和光污染程度。作為太空時代之前發現的眾多土星衛星之一,土衛二的最佳觀測時間是在環面穿越時期,此時土星環垂直于地球運行點的切線在地球上隻能觀測到一條細線,土星環的亮度大為降低,故為觀測土衛二的最佳時機。

直到旅行者號計畫實施後,對土衛二的觀測才得到顯著改善,而之前科學家所掌握的資料僅僅包括了該衛星的軌道特征及對其質量、密度和反照率的約略估計。

兩艘旅行者飛船獲得了第一組土衛二的特寫鏡頭,其中旅行者1號是第一艘與土衛二擦肩而過的人造飛行器它于1980年11月11日在距土衛二20萬2千公裏處掠過。盡管在這個距離上獲得的影像資料解析度較低,但是仍然顯示土衛二擁有一個高反照率並缺乏撞擊坑的地表,這表明該衛星地表的地質年齡較低。旅行者1號亦證實土衛二的運行軌道恰好位于土星E環的稠密處;結合土衛二的年輕地表分析,參與旅行者飛船計畫的科學家認為E是由土衛二地表所噴射出的顆粒組成的。旅行者2號于1981年8月26號在距土衛二8萬7010公裏處飛掠而過,從而獲得了關于這顆衛星更為清晰的影像資料如圖一所示,這些資料展示了這顆衛星年輕地表的諸多特征,也表明在這顆衛星的不同地區,其地質年齡存在極大不同。在該衛星北半球中、高緯度地區,存在著大量的撞擊坑,而在靠近赤道的地區,撞擊坑的分布則相對較少。這種多樣性的地貌特征與地質年齡古老、撞擊坑眾多的土衛一——該衛星較土衛二稍小——形成了鮮明對比。這種年輕地貌的發現在科學界引起了很大轟動——當時還沒有任何理論可以解釋為何一顆體積如此之小的天體(相較于暴烈的木衛一,它已經處于冷卻狀態)依然存在著地質活動。不過,旅行者2號的觀測資料並不能證明土衛二現階段是否仍存在地質活動,也無法確認該衛星是否就是E環物質的來源地。

卡西尼號

這些謎團直到2004年7月1日卡西尼號太空船進入環土星軌道後才得以解決。在旅行者2號觀測結果的基礎上土衛二成為了卡西尼號飛船計畫的一個優先觀測目標。卡西尼號在1500公裏範圍內數次有目的性的飛掠,及在10萬公裏範圍內眾多非目的性的飛掠提供了大量的觀測資料。迄今為止,卡西尼號共進行了4次近距離的飛掠,獲得了眾多關于土衛二表面的意義重大的信息,並發現了衛星南極地區發生的含有水蒸氣和復雜碳氫化合物的噴射現象這些發現也促使卡西尼號的飛行軌道做出改變,對土衛二實施更近距離的飛掠,其中包括2008年3月的一次近距離相遇。在該次相遇中,卡西尼號對土衛二進行了精度達到52公裏以內的探測。2008年至2010年間卡西尼號的後續任務包括了7次對土衛二的近距離飛掠,其中2008年下半年的兩次飛掠距離近達50公裏,

卡西尼號在土衛二上的發現推動了數項研究計畫的跟進。2007年,美國國家航空航天局完成了一項向土衛二發射軌道飛行器並詳細研究南極地區羽狀噴射物的計畫的概念性研究,遺憾的是該計畫未得到進一步實施歐洲空間局也計畫向土衛二發射探測器,該計畫將與土衛六的研究計畫共同實施。

“土衛六-土星計畫”是美國國家航空航天局和歐洲空間局聯合提出的一項旨在探測土星系衛星(包括土衛二)的計畫,與之相競爭的則是“木衛二-木星計畫”。2009年2月,美國國家航空航天局和歐洲空間局宣布將優先實施木衛二-木星計畫,同時也將繼續研究土衛六-土星計畫的可行性擇機實施。

二十世紀末發射,並于二十一世紀初抵達土星附近的卡西尼號太空船則提供了大量的資料,解開了旅行者探訪之後留下的諸多疑團。在2005年,卡西尼飛船數次近距離掠過土衛二獲得了該衛星表面及其環境的大量資料特別是發現了從該衛星南極地區噴射出的富含水分的羽狀物。該發現以及可探測到的逃逸內能的存在、南極地區極少存在撞擊坑的情況,共同證明了土衛二至今仍然存在地質活動在巨行星的衛星系統中許多衛星都會成為軌道共振的犧牲品這會導致星體震動和軌道的擾動,而對于更加靠近行星的衛星,潮汐效應則會加熱行星的內部這或許可以解釋土衛二的地質活動。

地形地貌

大小與外形

土衛二是一顆相對較小的衛星,平均直徑為505公裏,隻有月球直徑的七分之一,比不列顛島的最大長度還稍小,而其大小也和不列顛島不相上下。而亞利桑那州科羅拉多州也能夠容得下這顆衛星。不過若論其球體面積,則比以上這些區域要大得多,它的面積達80萬平方公裏,相當于莫三比克的國土面積,比得克薩斯州大15%。

土衛二的質量和直徑都位列土星衛星的第六位,居于土衛六(5150公裏)、土衛五(1530公裏)、土衛八(1440公裏)、土衛四(1120公裏)和土衛三(1050公裏)之後。它也是土星擁有的最小的球狀衛星之一,除了它和土衛一(390公裏)之外,其他的小衛星均為不規則形狀。

土衛二土衛二

事實上土衛二為一個扁平橢球體,依據卡西尼號發回的照片進行測算,土衛二的三軸長度為513(a)×503(b)×497(c)公裏,其中(a)為面向土星面與背向土星面兩極間的距離,(b)為星體凹面與凸面兩極間的距離,(c)為南極與北極之間的距離。土衛二圍繞其短軸自轉,而其長軸則成放射狀地偏離土星。

表面

1981年8月,旅行者2號在人類歷史上首次近距離地觀測土衛二。對獲得的圖像信息進行分析後,科學家們發現了至少五種不同的地形,包括撞擊坑地形、平坦地形(較年輕),而在平坦地形附近,則往往分布著山脊。另外還觀測到大量的線性地縫 和懸崖。鑒于在平坦地區分布的撞擊坑較少,科學家推測這些平坦地區的形成時間可能隻有幾億年。所以,在較近的一段地質時間裏,土衛二上必然發生了諸如“水火山”之類的地質活動,才能使得原先千瘡百孔的地表平整如初。固態水(冰)使得土衛二表面發生了很大變化,使其成為太陽系中反射率最大的天體,它的幾何反照率高達138%。正因為它反射了如此之多的陽光,其平整地表的夜間溫度僅為-198℃(較其他土星衛星寒冷)。卡西尼號在2005年2月17日、3月9日、7月14日三次飛掠土衛二,觀測到了土衛二表面的更多細節。例如旅行者2號所觀測到的平坦地形,實際上是一些撞擊坑分布較少的地區,這類地區還分布有山脊和懸崖。同時,在地質年齡較大、撞擊坑分布密集的地區,還發現了數目眾多的地縫,這證明在撞擊坑大量形成之後,這一地區還經歷了劇烈的地質運動。另外,在旅行者2號過去未詳細勘測的地區,亦發現了幾處較年輕的地形,如南極附近的一處古怪地形。

土衛二表面土衛二表面

撞擊坑

撞擊坑是太陽系許多天體上存在的普遍現象。土衛二的許多區域都被分布密度不同、破損程度不同的撞擊坑群所覆蓋。在旅行者2號觀測結果的基礎上,科學家根據撞擊坑分布密度的不同將其分為三類撞擊坑地形單元。其中ct1和ct2雖然在撞擊坑破損程度上有所不同,但都包含了數目眾多的、直徑達10-20公裏的撞擊坑;而cp則是分布有少量撞擊坑的平坦地區。這種基于撞擊坑密度(及與此相關的地表年齡)而進行的撞擊坑地形細分支持了認為土衛二曾經歷過多階段的地表重塑的觀點。

近期卡西尼號的觀測則提供了關于ct2和cp地形單元的更多詳細信息。這些高解析度照片顯示土衛二的許多撞擊坑都出現了由粘性崩塌和結構性裂痕導致的嚴重破損。粘性崩塌是重力的作用所造成的撞擊坑及其他水冰構成的地形的破損,這個作用過程需要經歷漫長的地質時間,並將最終使該地區的地勢趨于平緩。這個作用的效果取決于凍的溫度,因為相較于溫度較低、質地較硬的冰,溫度較高的冰更容易遭到破壞。經歷了粘性崩塌作用的撞擊坑一般都有一個凸形底部,有時甚至隻剩下一圈坑緣。圖八左上角的大撞擊坑——頓雅扎德撞擊坑所擁有的凸形底部即是粘性崩塌作用的例證。另外,土衛二表面的許多撞擊坑也已遭到結構性裂痕的嚴重破壞。照片底部中央偏右直徑近10公裏的撞擊坑即是證明:寬度隻有數百米至一千米的細長的裂痕已經嚴重破壞了該撞擊坑的邊緣和底部。迄今為止,幾乎所有位于ct2地形單元中的撞擊坑都有構造性變形的跡象。粘性崩塌和結構性裂痕的作用都證明了——盡管撞擊坑地形地區是土衛二上地質年齡最大、撞擊坑留存度最高的地區,但其中的幾乎所有撞擊坑都已處于某種被破壞的階段。

土衛二

地質構造

土衛二表面,拉伯塔伊特槽溝附近類似于木衛二表面構造的地形,卡西尼號于2005年2月17日拍攝。

旅行者2號在土衛二上發現了幾種地質構造,包括槽溝、懸崖和山脊等。近期卡西尼號的觀測表明土衛二上改變地貌的主要方式是構造作用。土衛二上發現的一種更加引人關註的地質構造是裂痕,這些峽谷能夠延伸至200公裏長,寬度為5-10公裏,深度為1公裏。圖七顯示了一條典型的大裂痕切割那些地質年齡較大、已經遭到結構性破壞的地區的景象。圖八底部亦顯示了這種地質構造。裂痕是一種較年輕的地質構造,因為它通常表現為切割其他地質結構,同時裂痕兩壁有突出的露頭。

土衛二上存在構造作用的另一例證是槽溝結構,它由一系列呈曲線狀的槽溝和山脊構成。這種條紋狀結構最初是由旅行者2號發現的,通常是平坦地形與撞擊坑地形的分野標志。在圖六和圖十中均可見到這種地質構造(圖十中的為撒馬爾罕槽溝)。這種槽溝地形容易令人聯想起木衛三上的相似地貌。不過土衛二的槽溝構造要比後者復雜:木衛三上的槽溝為平行排列,而土衛二的槽溝排列則顯得較為凌亂,形狀也多為鋸齒狀。引人關註的是,卡西尼號在對撒馬爾罕槽溝進行觀測時發現了一些暗點(直徑125-750米),它們平行排列于槽溝旁,有推測認為這些暗點是位于該地區的陷坑。

圖九: 土衛二表面的高解析度拼接照片,顯示了數種地質構造和撞擊坑的破損情況。由卡西尼號于2005年3月9日拍攝。

除此之外,土衛二表面還有多種地質構造。圖九顯示了一種狹窄的斷裂地形(通常有數百米寬),該地形由卡西尼號發現。這些裂縫常常貫穿于撞擊坑地形之中,其深度也隻有一兩百米。其中的許多裂縫在其形成過程中受到了撞擊坑所產生的微薄表土的影響,導致裂紋走向經常發生變化。

平坦地形

旅行者2號在土衛二表面發現了兩種平坦地形。這些地形的地勢起伏較小,較之撞擊坑地形,其撞擊坑數目也很少,這表明這種地質構造的產生年代較晚。其中的典型——錫蘭平原,從照片上就未發現可見的撞擊坑。而在錫蘭平原西南方的另一個平坦地形,則縱橫交錯著數條槽溝和懸崖。其後,卡西尼號也曾觀測過這些平坦地形,其中包括了錫蘭平原和蒂雅平原,並拍下了高解析度的照片。這些照片顯示這些地形中其實布滿了較低的山脊和較淺的裂縫。目前認為,其中的裂縫是由于剪下形變造成的。其中拍攝的錫蘭平原的照片顯示該地區仍存在著一定數量的微小撞擊坑——依據這些撞擊坑估計,該地區地表的年齡從1.7億年到37億年不等,具體年齡取決于撞擊坑的分布情況。

卡西尼號對土衛二表面進行觀測的區域的擴大使得更多的平坦地形得以發現,特別是在土衛二朝向軌道運動方向的球面上。這些地形上布滿了數目眾多的槽溝和山脊,類似于南極地區的變形構造。這些地形正好位于錫蘭平原和蒂雅平原的球體對立面上,表明這一地區受到了土星引力潮汐的影響。

南極地區

2005年7月14日,科學家在卡西尼號飛掠土衛二時拍攝的照片中發現了一個位于南極地區、產生構造變形的特別區域。該地區位于北緯60°區域,其間遍布裂縫和山脊,同時也存在著少量微型撞擊坑,這表明這是土衛二表面最年輕的地貌,同時也是所有中等大小的冰凍衛星上的最年輕地貌;其間的撞擊坑構造表明該地區的某些區域可能隻有5萬年的歷史,甚至可能更年輕。靠近該區域的中心區分布著4個裂縫帶,以及眾多的山脊——這些山脊被非正式地命名為“虎皮條紋”。這些裂縫可能是該地區最年輕的地質結構,它們的四周分布著呈薄荷綠色、帶有粗糙紋理的冰體——這些冰體在其他地區常常出現在岩石露頭中或裂縫壁上。在該地區的平坦地帶中亦發現了“藍”冰,這表明該地區十分年輕,以致還未來得及被覆蓋上一層來自E環的帶有細密紋理的冰體。可見光和紅外線測繪分光計(VIMS)的探測結果表明分布于“虎皮斑紋”四周的綠色物質在化學結構上與土衛二的其他地表物質存在差異,同時在“虎皮斑紋”中發現了透明的冰體,這說明這一地質構造十分年輕(可能小于1千年),或者該地質構造表面的冰體近期曾受到熱源影響。另外,該儀器還在“虎皮斑紋”中測得結構較簡單的有機化合物,這在該衛星上尚屬首次發現。

在7月14日的飛掠中,卡西尼號對南極地區分布“藍”凍的地區之一進行了觀測,並拍下了高解析度的照片,照片顯示該地區存在著劇烈的地質變形,並發現了一些直徑為10—100米的巨石。

土衛二南極地區四周環繞著一系列相互平行的、呈Y形和V形的山脊和峽谷。這些山脊和峽谷的形狀、走向和位置都表明它們是土衛二的整體形變造成的。最近,存在著兩種理論解釋這種地形形變的產生。第一種認為:土衛二繞土星運行的軌道縮小了,從而導致土衛二自轉速度的提高,這種變化進而導致土衛二自轉軸的調整。第二種理論認為大量從土衛二內部噴發出的溫暖的、低密度的物質導致了這種地形所在區域從土衛二南半球中緯度地區位移至高緯度地區。結果,土衛二的橢球體將會因為這種變化做出相應的調整。根據自轉軸變化理論所得出的推導結果之一是土衛二的南北兩極均曾有過類似的地形變化。 不過與推論相反,土衛二的北極地區卻密布著撞擊坑,且地質年齡也較南極地區大得多。土衛二地殼的厚薄不均或許可以解釋這種差異。這種地殼厚度的變化得到了南極地區邊緣Y形、V形地形和毗鄰南極的地區地質年齡之間相互關聯的佐證:Y形的、不連貫的地形和縱貫南北的斷裂帶均是較年輕的地形,推測亦認為這種地形對應的地殼厚度較薄;而V形地形則毗鄰著那些地質年齡較大、撞擊坑分布稠密的地區。

冰火山

在80年代初期旅行者號對土衛二進行了觀測之後,科學家們基于以下理由認為該星體可能存在著地質活動:年輕的、具有高反射度的表面和其處于E環核心區的位置。 土衛二和E環的聯系使科學家猜想認為土衛二正是E環上散布的物質的來源——即從土衛二內部噴射出的水蒸氣最終構成了E環。不過,旅行者號的觀測結果未能提供確鑿證據證明土衛二現今仍處于活躍狀態。

不過之後的卡西尼號上承載了多種儀器,通過這些儀器的觀測,科學家最終發現了土衛二上存在著噴發水和其他易揮發物質、而非矽酸鹽石塊的冰火山。2005年1月和2月,卡西尼號上的成像科學子系統(ISS)首次觀測到土衛二南極地區噴發出的由細小冰晶構成的羽狀物。在2005年2月17日的飛掠中,磁力計觀測到的關于土衛二大氣的資料也證明之前成像科學子系統所觀測到的現象是真實的——該資料顯示當時土衛二附近的離子回旋波的能量有所增強。離子回旋波是離子磁場相互作用的產物,通過測定離子回旋波的頻率可以確定物質的構成——經過測定,這種物質是經過電離的水蒸氣。在其後的兩次飛掠中,磁力計發現土衛二大氣中的氣體大部分都集中于南極地區,其他地區的大氣濃度則相對十分稀薄。在2月17日和7月14日的飛掠中,紫外線攝譜儀(UVIS)觀測到兩例掩星現象。在2月的飛掠中,紫外線攝譜儀未能找到土衛二赤道地區存在大氣的證據,但在7月飛掠觀測掩星現象的過程中探測到了水蒸氣的存在。

土衛二

卡西尼號偶然地穿越了氣體雲,離子和中性粒子分光計(INMS)和宇宙塵埃分析儀(CDA)從而能夠直接獲取羽狀物的樣本。離子和中性粒子分光計對氣體雲的物質構成進行了測定,發現其中大部分為水蒸氣,並包含少量的分子態氮、甲烷和二氧化碳。宇宙塵埃分析儀發現“越靠近土衛二,顆粒物質數量越多”,這證明土衛二的確是E環物質的主要來源地。離子和中性粒子分光計以及宇宙塵埃分析儀的資料表明卡西尼號穿越的氣體雲確為冰火山所噴發的、富含水分的羽狀物,這種羽狀物來源于南極地區的噴射口。

2005年11月,這種噴射活動得到了進一步的確認,成像科學子系統拍攝到了土衛二南極地區類似噴泉的冰晶噴射活動。(實際上,在之前的2005年2月,卡西尼號已經拍攝到羽狀物,隻是仍需要進一步對高相位角度拍攝的照片——即當太陽處于土衛二身後時所拍攝的照片——進行研究以真正確認其存在,這些照片還需要同其他土星衛星的高相位照片進行對比。)11月的觀測結果顯示了羽狀物的完整結構,並發現該羽狀物由數個獨立的噴射活動的噴射物(或許來自數個不同的噴射口)共同構成,並擴展至距衛星表面近500公裏的地區。這一觀測結果使得土衛二成為第四顆被證實存在火山活動的太陽系天體,之前的三顆分別是地球、海衛一和木衛一。2007年10月,在成像科學子系統觀測到塵埃噴射活動的同時,紫外線攝譜儀亦觀測到了氣體噴射活動。

2008年3月12日的飛掠使卡西尼號獲得了進一步的觀測機會。觀測資料顯示羽狀物中含有更多的化學物質,包括簡單的和復雜的碳氫化合物,如丙烷乙烷乙炔。這項發現提高了土衛二表面存在生命的可能性。卡西尼號上的離子和中性粒子分光計對羽狀物的物質構成進行測量後發現其與大部分彗星的物質構成相近。多種觀測儀器的觀測結果表明在土衛二南極地區,這種從受壓的地下腔室中噴發羽狀物的活動類似于地球上的噴泉。由于離子和中性粒子分光計和紫外線攝譜儀均未在噴射物質中發現——該物質能夠起到防凍作用,因此科學家預測在土衛二地下受熱、受壓的腔室中流動著溫度至少達到零下3攝氏度、近乎純凈的液態水,即如圖十三所示。由冰融化為純水,比之氨水混合物的融化需要更多的熱量。這種熱量可能來自引力潮汐能或輻射源所產生的能量。另一種產生羽狀物的途徑是土衛二表面溫暖的凍的升華。在2005年7月14日的飛掠過程中,卡西尼號上的紅外成份分光計(CIRS)在靠近南極點的地區發現了一個溫暖區域,該區域的溫度達到了85-90開爾文度,部分區域的溫度甚至高達157開爾文度(零下116攝氏度),遠較地表接收陽光輻射產生的溫度高,這表明該區域受到了土衛二內部熱源的加熱。在這種溫度下,該區域的冰體能夠以較其他區域冰體快得多的速度升華,並產生羽狀物。這種假說受到了較多關註,因為如若加熱地表冰體的地下層物質為呈半流質狀態的氨水混合物,那麽不需要太多的能量就可以產生羽狀物。不過,羽狀物中富含的大量冰晶顯然更支持“冷噴泉”模式假說,並削弱了冰體升華假說的可信性。

此外,基輔等人還提出了籠型水合物的來源理論,該理論認為,當“虎皮斑紋”地形破裂時,蘊藏于其中的二氧化碳、甲烷和氮暴露于真空之中,從而被釋放出來。該理論並不需要“冷噴泉”模式假說中用于融凍的熱能的存在,也能在缺少氨的情況下解釋得通。

內部結構

在卡西尼計畫施行之前,人們對于土衛二的內部構造知之甚少。不過,在卡西尼號飛船對土衛二進行的數次飛掠過程中所得出的探測結果為構建土衛二的內部模型提供了必要的信息,其中包括了對土衛二的質量和三軸橢球體形狀的測定、高解析度的地表照片和地質化學上的新發現。

之前旅行者測得的土衛二質量表明土衛二可能完全是由固態冰組成的。但是根據土衛二對卡西尼號的重力作用效果進行的測定表明,這個數值要遠高于之前的推測,其密度達到了1.16克/立方釐米,高于土星其他中等體積的冰衛星的密度,這表明土衛二可能含有更多的矽酸鹽和鐵。除了固態冰之外其他物質的存在,意味著土衛二內部可能擁有放射性物質衰變所產生的較為豐富的熱能。

土衛二

卡斯蒂略等人認為土衛八和其他的土星冰衛星都是在土星分星雲形成後不久就形成的,因此富含短期放射性核素。這些放射性核素,如鋁-26和鐵-60,有較短的半衰期,並能夠相對較快地為星體核心提供熱能。雖然土衛二擁有相對高密度的岩石構造,但是如果沒有這些短期放射性核素,那麽土衛二內部的長期放射性核素則來不及阻止核心的快速冰凍。 鑒于土衛二的高密度岩石構造,人們猜測鋁-26和鐵-60的高含量將會導致一個不同的構造類型的出現,這個構造類型包含了一個冰凍的地幔和一個岩石的核心。後期的輻射能和潮汐作用則將核心的溫度提升到了1000 K,這個溫度足以融解內層地幔。但是,若要保持土衛二地質活動的活躍性,則部分的核心也必須融化,以形成岩漿腔室,這種腔室在土星的潮汐作用下會扭曲變形。土衛四的共振效應或天平動產生的潮汐熱使得這些位于核心的熱點至今仍保持活躍,並為現在土衛二上的地質活動提供能量。

此外,科學家還測定了土衛二的形狀,以進一步判斷該衛星是否具有內部分層結構。波爾科等人根據其2006年的測量結果認為該星體處于流體靜力學的平衡狀態,在此狀態下,星體內部是不分層的,這與地質學及地球化學方面的證據所指向的結果相矛盾。不過,該星體的形狀並未排除其不處于流體靜力學平衡狀態的可能性,可能在較近的一個時期,土衛二仍可能擁有一個分層的內部結構,在該星體的某些區域旋轉速度較其他區域來得快。

物理特征

大小:

513.2×502.8×496.6公裏

平均半徑:

252.1 ± 0.1公裏(0.0395倍地球半徑)

質量:

(1.08022 ± 0.00101)×1020千克(1.8×10M)

平均密度:

1.6096 ± 0.0024克/立方釐米

赤道表面重力:

0.111m/s(0.0113倍地球表面重力)

宇宙速度

0.239 公裏/秒 (860.4 公裏/小時)

自轉周期:

同轉衛星

軸傾斜:

0

反照率:

1.375 ± 0.008 (幾何反照率)

表面溫度:

熱力學溫標

最小平均最大32.9 K75 K145 K

星等:

11.7

大氣

表面壓力

極小, 但變化很大。

大氣組成:

91%水汽

4%氮

3.2%二氧化碳

1.7%甲烷

軌道特征

軌道資料

軌道半長軸:23萬7948公裏
軌道離心率:0.0047
軌道周期:1.370218地球日或118386.82秒
軌道傾角:0.019°(相對于土星赤道)
衛星所屬星球:土星

土衛二屬土星的內層大衛星。按距離土星由近及遠排序,土衛二位居第14位,它的軌道位于土星E環的稠密部分。

土衛二在距土星中心23萬8千公裏、距其雲層頂部18萬公裏的軌道上環繞土星運轉,其軌道位于土衛一與土衛三之間,公轉周期為32.9小時(可以通過一個晚上的觀測發現其位移)。其軌道與土衛四的軌道形成了2:1的軌道共振,即每當它完成兩次公轉,土衛四即完成一次公轉。這種軌道共振關系導致土衛二軌道的離心率達到了0.0047,並為其地質活動提供了加熱源。

如同大部分土星的大衛星一般,土衛二的自轉與公轉相同步,它永遠都保持著同一面面向土星。不同于月球,土衛二並沒有出現自轉軸的擺動(而月球則有超過1.5°的擺動)。不過,對土衛二外形的分析表明,有時候它會由于外力作用——如土衛四的軌道共振效應——而產生自轉軌道的擾動。 這種擾動亦能夠為土衛二提供額外的加熱源。

與E環的相互影響

E環是土星的最外層光環,極其寬大(是土星環中最寬的環),但也極其稀薄,構成物質僅為極細小的冰晶和粉塵。該環起始于土衛一的軌道,一直延伸至土衛五的軌道附近,甚至有觀測者認為它已經延伸至土衛六的軌道附近了,如此算來,其寬度將達100萬公裏。然而,眾多的數學公式都顯示這樣的環是不穩定的,隻能維持1萬至100萬年。由此看來,構成該環的顆粒必然是從某處得到了源源不斷的補充,而土衛二的運行軌道則正好處于環帶之中,並且位于環帶中最稠密的部分。因此,某些理論推測土衛二是構成E環的顆粒的來源地。而卡西尼號的觀測結果支持了這種觀點。

土衛二在土星E環內運行事實上,共有兩種不同的機製補充著環帶的顆粒。首先,同時也是最重要的,是土衛二南極地區的羽狀噴射物,盡管大部分的噴射物都落回衛星表面,但由于土衛二的逃逸速度僅為866公裏/小時,故仍有部分物質逃逸出土衛二的重力控製而進入環土星的軌道。第二種機製是流星對土衛二的轟擊造成其表面揚起的粉塵進入環帶。這種機製並非土衛二所獨有,它對E環中的所有衛星都有效。

土衛二

自然現象

土衛二上的夜空

從土衛二上觀測,土星佔據著近30°的視角,比從地球上觀測到的月球的視角大60多倍。此外,由于土衛二的自轉與公轉同步,造成土衛二永遠都由同一面面向土星,所以土星在土衛二的夜空中從不移動(除了由于軌道異常所造成的微小變化),而在土衛二背對著土星的那一面,則永遠都看不到土星。

土星光環的可觀測視角隻有0.019°,看起來就像一條明亮的細線橫穿土星的圓盤,不過它落在土星盤面上的陰影則可以被清楚地辨認出。就如同在地球上觀測到的月球一般,土衛二上觀測到的土星也有定期的相的變化,其從虧到贏要經歷一個16小時的周期。與此同時,太陽則隻佔據著3.5'的視角,比從地球上觀測到的月球的視角小了9倍。

如果一個觀測者在土衛二上進行觀測,那麽平均每過72小時,他就能觀測到土衛一(位于土衛二軌道內側的最大衛星)運行至土星前面。土衛一的視角接近于月球,最大時為26';而土衛十三土衛三十二大小則如同星星;土衛三的最大視角能略超過1°,比月球的視角大一倍,但隻有在其最靠近土衛二時從土衛二的背向土星面才能看到。

土衛二太空“噴泉”

2008年3月,飛過土衛二附近的美國“卡西尼”號探測器發回照片顯示,土衛二上有類似間歇泉的冰屑和水蒸氣噴發景象,表明這顆天體上可能存在液態水。盡管照片沒有拍到液態水,但科學家認為,照片上的冰屑和水蒸氣來自土衛二地表較淺處的“地下水庫” 。

研究人員猜想,這些液態水表面為薄冰覆蓋。若覆蓋冰層出現裂隙,液態水的溫度和壓力都會急劇下降,一方面形成水蒸氣噴發,另一方面噴出水蒸氣迅速冷凝成冰屑,類似于地球上的熱泉眼,隻不過溫度要低得多。

美國科羅拉多州太空科學研究所的影像分析專家卡羅琳·波爾科說,如果這個地表溫度低至零下200攝氏度的星球上存在液態水,其地下就可能存在熱源。另外,美國亞利桑那大學研究人員通過對“卡西尼”傳回資料進行光譜分析,認為土衛二南極附近可能存在少量有機物。

最近,美國宇航局的卡西尼探測器又取得了新的發現成果, 根據最新公布的訊息,卡西尼探測器在土衛二冰層下方發現了多達101處的間歇泉噴口,這意味著土星這顆“冰衛星”上擁有更多的冰水成分,而且地下還有特殊的加熱機製,可以將冰層融化。

科學家對土衛二的研究發現,其表面下方可能存在大量的液態水,近七年來,卡西尼探測器開始通過高解析度相機系統對土衛二南極進行掃描,其獨特的地質給科學家留下了深刻的印象,這裏布滿了酷似虎斑紋的裂縫,其中還噴出了微小的冰顆粒,全部掃描後科學家確認了101處間歇泉位置,並繪製出土衛二間歇泉分布圖,同時美國宇航局研究人員也發現數個間歇泉周圍還有表面熱源,這可能與更深層的內部熱源有關。

土衛二的間歇泉發現過程要追溯到2005年,科學家推測土星的潮汐力導致土衛二內部出現了熱源,並在表面較薄的位置噴發出來,結果就形成了攜帶微小冰顆粒物的間歇泉。在這項研究之前,研究人員並不清楚該過程中何種作用佔據了主導地位,也不確定土衛二內部多餘的能量是否可影響到近表面附近。

為了確定間歇泉的位置,科學家使用了地質調查上使用的三角測量法,繪製出土衛二熱輻射源與間歇泉位置關系圖,可以看出熱輻射較大的區域其間歇泉的噴發也更加猛烈,這說明土衛二上的間歇泉噴發並不是一個近表面的現象,與更深層的熱源有關,而這些熱源很大一部分來自土星的潮汐力。由此科學家得出在熱源與表面冰層之間可以形成巨大的冰下海洋,其通過狹窄的通道抵達表面。

科學家根據卡西尼探測器的高解析度相機系統觀測到土衛二極區存在的周期性間歇泉噴發,並與土星潮汐力模型有著較好的匹配,進一步證明了土衛二內部熱源、潮汐力以及間歇泉之間的關系。

生命跡象

科學家在地外星球生命探索領域獲得一項重大突破!美國宇航局卡西尼探測器首次對科學家提供土衛二當前熱液活動的明顯證據,很可能這顆衛星地下海洋具備孕育生命的條件。

如果這一發現得以證實,土衛二將成為太陽系內除地球之外唯一一顆存在熱水和地下互動反應的星球,熱液活動性使土衛二成為一顆潛在微生物的衛星。科學家在地球上發現一些怪異生命可以生存在沒有陽光照射的海底熱液噴口。

美國宇航局指出,地球之外星球上出現這樣的熱液活動性將開啓前所未有的科學可能性。這項發現暗示著土衛二地下海洋以及獨特的地質活動性,潛在適宜生物體存活。據悉,科學家勘測結果表明,土衛二地下海洋比之前預想得更深,位于衛星表面之下48公裏處。

土衛二在太陽系內所在位置以及其極端環境可能存在生命,或許將揭曉一個謎團:地球人類在宇宙中是否是唯一的?

熱液活動出現在海水浸潤岩石地殼,並發生反應的過程中,在地球海洋中通常出現于受熱、含礦物質液體中。這項研究報告發表在本周出版的《自然》雜志上。

研究人員在為期4年的太空探測器資料分析、電腦模擬和實驗室實驗中得出一個結論:土衛二一種微小顆粒很可能形成于包含溶解礦物質的熱水與冷水接觸的過程中。產生微小顆粒的互動反應需要溫度至少達到90攝氏度,美國科羅拉多大學博爾德分校博士後研究生肖恩-徐指出,令我們興奮的是這些微小岩石顆粒通過間歇泉噴射至太空,可以幫助我們掌握土衛二海底狀況的重要信息。

​相關假說

液態水

2008年,科學家們觀測到了從土衛二表面噴出的水蒸氣。這一觀測結果證明了該衛星上存在著液態水,並支持了土衛二有可能存在生命的觀點。

坎迪斯·漢森是美國航空航天局位于加州的噴氣推進實驗室的一名科學家,在發現了這些速度高達2189公裏/小時——這種速度十分罕見,往往隻有在含有水的情況下才能達到這種速度——的羽狀物後,他領導著一個團隊開始研究這些物質。

卡西尼號提供的資料顯示在土衛二的冰凍表面之下可能存在著一個全球性的海洋。卡西尼號對其所捕獲的冰晶顆粒進行分析後發現,這些冰晶顆粒是由鹽水凝集而成的——這種狀況一般隻發生于大面積的水體之中。因此土衛二之上也可能存在外星生命。另一種觀點則認為土衛二上存在的並非大面積的海洋,而是分布廣泛的溶洞,這些溶洞之中充滿了液態水。

2009年8月13日,科學家對外公布了對土衛二南極地區噴射出的水蒸氣進行分析的最新結果,他們在冰晶顆粒中發現了高濃度的鹽分。此外,卡西尼號還發現了諸如碳酸鹽和塵埃顆粒等有機化合物的蹤跡。這些證據都有力證明了在該衛星表面之下存在著一個海洋。其中的塵埃顆粒甚至可能提供關于海洋的細節情況,而通常獲取這些情況需要進行深層鑽探。

土衛二地殼之下液態水的存在表明在其內部存在著內部熱源。現在,科學家相信放射性衰變和潮汐效應共同提供了液態水存在所需要的熱量,因為唯獨潮汐效應是無法提供如此多的熱量的——如土星的另一顆衛星土衛一即比土衛二更為靠近土星,且其軌道離心率更大,這意味著相比于土衛二,該衛星受到了更為強大的潮汐效應的影響但是其老舊而布滿創傷的表面則表明該衛星似乎早已停止了地質活動。

存在生命

土衛二是外太陽系中迄今為止觀測到存在地質噴發活動的三個星體之一(另外兩個分別是木衛一海衛一)。分析認為噴射的物質是星體表面以下的液態水;同時,在噴射的羽狀物中亦發現了奇特的化學成分,因此土衛二也被認為是天體生物學的重要研究對象。 此外,噴射現象也為E環的物質來源于土衛二的觀點提供了重要證據。

美聯社分析說,這一假說具有重大意義。若經證實,土衛二便具備了產生生命的三大條件:持續的熱源、有機物和液態水。馬特森說:“這告訴我們,以土衛二的內部條件,它曾經或仍然可能發生生化反應。”

當然,一切假說畢竟隻是一種合理猜測。現在斷言土衛二上是否存在生命為時尚早。2008年3月,“卡西尼”將再次飛到距土衛二僅350公裏處觀測。屆時,可能將有更多太空奧秘被逐一揭開。土衛二可能是土星的稀薄的E光環中物質的供給源。另外由于這物質不可能在光環中存在數千年之久,它可能與土衛二最近的活躍有關。另外光環也有可能是由高速的不斷碰撞的粒子與不同的衛星共同維系。

據《新科學家》雜志報道,美國普林斯頓物理學家和未來學家弗裏曼·代森表示,寒冷的土衛二上可能存在開花植物的這樣的生命,因為在地球北極地區就發現有開花植物,而北極和木衛二的環境非常類似,因此太空船應該在木衛二上尋找花朵,這很容易發現。

2015年3月12日,日本媒體報道,東京大學、日本海洋研究開發機構等與歐美的國際團隊一道,在土星的二號衛星——土衛二上發現存在熱水的環境。據稱,這是人類首次在太陽系中發現存在于地球之外的可供生命存在的環境。該成果已發表在英國科學雜志《自然》上。

待解謎團

美國宇航局“卡西尼”探測器最新觀測資料顯示,土衛二表面出現周期性的冰層融化的熱氣泡,並且土衛二的表面冰殼被攪動。這將解釋土衛二表面奇特的熱反應現象和表面特征。

美國加利福尼亞州立大學聖塔克魯茲分校行星科學家Francis Nimmo)說:“卡西尼探測器現觀測到處于打飽嗝狀態的土衛二,目前所觀測到的土衛二表面騷動時期十分罕見很可能這顆衛星正處于一個特殊的地質紀元”

土衛二南極區域令科學家頗感興趣是由于具有“老虎斑紋”結構,這是水蒸汽噴霧和其他粒子從該星體上擴散形成的。目前發布在1月10日的一項最新研究報告顯示,衛星表面冰殼的攪動和地質塗平現象並不是與裂縫和噴射物質有直接的聯系,這些現象可用于解釋土衛二過去地質歷史的空白。

美國宇航局噴氣推進實驗室卡西尼項目科學家鮑勃-帕帕拉多(Bob Pappalardo)說:“目前觀測到的奇特地質現象將有助于揭示土衛二的神秘面紗,並解釋以下謎團——為什麽土衛二南極如此年輕?土衛二南極如何噴射出大量的熱量?”

大約在4年前,卡西尼探測器合成紅外光譜儀器探測到土衛二南極區域流動的熱量至少達到10億瓦特,這相當于最少12個發電站供給的能量。盡管土衛二的質量比地球小,但其地熱資源是地球地熱區域產生地熱資源平均值的3倍之後卡西尼探測器的離子和中子質量光譜儀器通過排除氬氣發現了這些地熱資源區域,這些地熱資源區域顯示出了岩石放射衰減性,

科學家通過電腦模擬顯示土衛二不可能持續一定比率產生出熱量和氣體,來自土星牽引作用力的潮汐運動無法解釋如此多能量的釋放。

同時,科學家發現土衛二不同區域表面地質年代具有很大的差異性,北半球的隕坑歷史可追溯至42億年前靠近赤道的“Sarandib Planitia”區域的歷史可追溯至0.17億-37億年前,而南半球的歷史卻不足1億年,甚至部分區域僅形成于50萬年前。

澳大利亞麥考瑞大學的克雷格-奧尼爾(Craig O'Neill)和尼莫是美國宇航局外行星研究項目的奠基人他們設計了一個電腦模擬可用于分析地球地殼的對流狀況。該模型套用于土衛二的分析顯示土衛二表面完全覆蓋著的嚴寒冰層被土星引力潮汐牽引力所斷裂,他們認為土衛二表面硬度在地球和金星之間。

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