木衛二

木衛二

木衛二Europa (英語發音"yoo Roh puh"),在1610年被伽利略發現,是木星的第六顆已知衛星,是木星的第四大衛星,在伽利略發現的衛星中離木星第二近。木衛二比地球的衛星月球稍微小一點,直徑達到3100公裏,是太陽系天體系統中的第六大衛星和第十五大天體。哈勃望遠鏡的觀察揭示出木衛二有一個含氧的稀薄大氣(1e-11巴)。

太陽系中大約165顆衛星裏隻知道有6顆衛星(木衛一、木衛四土衛二木衛三、 土衛六和 海衛一)擁有大氣層。不像地球的大氣中的氧,木衛二的氧並不是生物形成的。它最可能是由于太陽光中的電荷粒子撞擊木衛二的冰質表面而產生水蒸氣,然而分成氫氣和氧氣。氫氣脫離,留下了氧氣。

木衛二與木衛一的組成與類地行星相似:主要由矽酸鹽岩石組成。但是與木衛一不同,木衛二其外層分布著厚度達100公裏的冰層,由于其存在內部能量源,冰下深處或擁有液態水世界,該天體表面非常"光滑",撞擊坑數量較少,這說明"歐羅巴"星球的地質構造比較活躍, 從伽利略號發回的資料表明木衛二有內部分層結構,並可能有一個小型金屬核心。

2013年12月11日,美國NASA宣布,木衛二表面發現黏土質礦物或可育成新生命。木衛二表面布滿了冰層,冰層溫度在零下26度左右冰層下有海洋,比地球最深的海洋還要深96公裏。2016年9月26日,NASA發現木衛二歐羅巴有水汽噴發,而有水就有可能有生命存在。

  • 中文名稱
    木衛二
  • 外文名稱
    Europa,IPA
  • 表面積
    3.1×10^7 km²
  • 公轉一周
    3天半
  • 公轉軌道
    距離木星670,900 千米
  • 兩極溫度
    50K(-223 °C)
  • 衛星直徑
    3138千米
  • 平均速度
    1.314 m/s2
  • 發現時間
    1610年1月
  • 體積
    1.593×10^10 km³
  • 質量
    4.80×10^22 kg
  • 平均密度
    3.014 g/cm³
  • 軌道偏心率
    0.009
  • 赤道地區溫度
    110K(-163 °C)

行星命名

木衛二由伽利略馬裏烏斯(Marius,Simon)于1610年發現,伽利略號還發現了一些木衛二擁有微弱磁場的證據(相當于木衛三的四分之一)。

木衛二

木衛二(Europa):希臘神話中腓尼基(Phoenicia)公主歐羅巴(Europa),阿革諾耳(Agenor)的女兒。大神宙斯(Zeus)化作一頭白色的公牛將其劫至克裏特島(Crete),並與她生下了三個兒子:彌諾斯(Minos)、拉達曼堤斯(Rhadamanthys)和薩耳佩冬(Sarpedon)。

歐羅巴是希臘神話中的一位美麗的腓尼基公主,其他三顆伽利略衛星也被馬裏烏斯以希臘神話人物分別命名為愛莪(Io,木衛一)、蓋尼米德(Ganymede,木衛三)和卡利斯托(Callisto,木衛四),這四個人物皆以俊美著稱。但是在20世紀中葉以前,相當長的一段時期內,這一套命名並未被天文學家所認可。早期的文獻中多以位置編號將“歐羅巴”稱作“木衛二”。1892年發現了木衛五,比之前已知的所有木星衛星都更靠內。1979年旅行者號探測器又發現了三顆內側衛星,至此,“歐羅巴”的位置排到了第六。盡管如此,編號名仍然承襲下來,並偶有使用中文因對音等問題,亦通行以“木衛二”指稱“Europa”。

行星特征

組成

木衛二與木衛一的組成與類地行星相似:主要由矽酸鹽岩石組成。但是與木衛一不同,木衛二有一個薄薄的冰外殼。從伽利略號發回的資料表明木衛二有內部分層結構,並可能有一個小型金屬核心。但是木衛二的表面不像一個內層太陽系的東西,它極度的光滑:隻能看到極少的數百米高的地形。凸出的記號看來隻是反照率特徵或是一些不大的起伏。

面板

木衛二的表面照片與地球海洋上的的照片相似。這可能是因為木衛二表面的冰以下有一層液態的水,或許有50千米深,由引潮力帶來的熱量保持液態。若假設成立,這將是除地球之外,太陽系中唯一一個有大量的液態水存在的地方。

木衛二

木衛二最醒目的面板是遍布全球的一串串十字條紋。較大的一個向外擴散到淡色物質地帶,長近20千米。最近的有關它們的起源理論是:它們由一連串火山噴出物或噴泉產生。

來自伽利略號兩次接近木衛二發回的圖片看來驗證了早期的理論:木衛二上的環形山很少,隻發現三個直徑大于5千米的環形山。這表明它有一個年輕又活躍的表面。然而,旅行者號做了一小部分的表面高清晰度地圖,木衛二的表面精確年齡是一個懸而未決問題。但一些活動很顯然正在發生,有些區域看來很像春天到來時兩極海洋處冰塊融化的情景。木衛二表面和內部的確切性質還不很清楚,但有一個表面“海洋”的確切證據。

木衛二是太陽系中另一顆與眾不同的衛星。木衛二是太陽系中最明亮的一顆衛星,它之所以顯得如此明亮是由于它表面有一層厚厚的冰殼,這層冰殼上布滿了隕石撞擊坑和縱橫交錯的條紋。木衛二的內部很可能是非常活躍的,在冰殼下面很可能隱藏了一個太陽系中最大的液態水海洋,這個海洋中極有可能存在著生命。

大氣

1994年,哈勃空間望遠鏡的Goddard高解釋度光譜儀觀測到,木衛二的表面包裹著一層主要由氧構成的極其稀薄的大氣(1地表氣壓約1微帕)。 在已知的太陽系的所有衛星當中隻有七顆具有大氣層(其他六星為木衛一、木衛四、 土衛二、 木衛三、 土衛六 和 海衛一)與地球不同,木衛二大氣中的氧是非生物來源的。很可能是帶電粒子的撞擊和陽光中的紫外線線的照射使木衛二表面冰層中部分水分子分解成氧和氫,氫因原子量低而逃逸,原子量相對較高的氧則被保留下來。

軌道

木衛二與木星之間的平均距離為 670,900 千米,公轉一周隻須三天半的時間。它的軌道十分接近正圓,偏心率僅0.009。 跟其他的伽利略衛星一樣,木衛二也被潮汐鎖定,因而有一個半球永遠朝向木星。由木星和其他衛星不同方向的重力牽引所轉化成的熱和能量為有可能發生的,冰層內部液化成海洋,以及驅動表層下的地質運動提供了必要的條件。

地質結構

木衛二的主體構成與類地行星相似,即主要由矽酸鹽岩石構成。它的表面由水覆蓋,據推測厚可達上百千米(上層為凍結的冰殼,冰殼下是液態的海洋),1995到2003年期間環繞木星進行科學考查的伽利略號飛船所採集到的磁場資料表明,木衛二在木星磁場的影響下自身能夠產生一個感應磁場,這一發現暗示著,其表層內部很可能存在與鹹水海洋相似的傳導層,木衛二可能還有一個金屬性的鐵核。

表面特征

​木衛二的表面大體光滑,很少有超過幾百米的起伏,不過在某些地區也可以觀測到接近一公裏的落差。木衛二是太陽系中最光滑的天體。它那些顯眼的縱橫交錯的紋路,也就是所謂的返照特色,是由低淺的地形所造成。由于撞擊坑非常少,木衛二是返照率最高的衛星之一。這也暗示了它的表面是相當“年輕”和“活躍”的;基于對木衛二可能經受的彗星撞擊頻度的估算,它的“表面”年齡大概在2千萬到1億八千萬年之間。

木衛二

伽利略號飛船拍攝的接近真實色彩的木衛二照片

木衛二表面最突出的特征就是那些張牙舞爪地布滿整個星球的暗色條紋。近距離觀測表明,條紋兩側的板塊有相向移動的現象。大一點的條紋橫向跨度可達20公裏,可以觀察到這些寬條紋的深色部分和板塊外緣有模糊過渡。規則的紋路,以及寬條紋夾有淺色的細紋,這些形態很可能是由表層冰殼開裂較溫暖的下層物質暴露而引起的冰火山噴發或間歇泉所造成。這與在地球上的海脊有著相似的效果。據推想,大部分的裂痕是由木星所施加的強大的潮汐壓力所造成;由于木衛二已被潮汐鎖定,它總是保持一個方向對著木星,固定的壓力模式應該可以形成特定的可預測的破例式樣。然而在木衛二表面上隻有新近出現的裂痕才符合預測的式樣,其他的裂痕可以向各個方向延伸,年代越久遠的就越是如此。一個較合邏輯的解釋是,木衛二其表層的自轉速度要略快于其內部,冰面下的海洋將外殼與更下層的地幔分隔開,冰殼在木星的重力牽扯下被撕裂。對比旅行者號和伽利略號拍攝的照片可測算出,大約每10,000年木衛二的外殼會比其內部多自轉一周,

“康納馬拉混沌地形”:崎嶇的山丘的平坦的盆地交錯在一起

木衛二另一個顯著的特征就是遍布四野的或大或小或圓或橢的暗斑,拉丁文作lenticulae,義為“雀斑”。這些暗斑有的突起如穹有的凹陷如坑有的平坦如鏡,也有的紋理紛糅粗糙。突起的小丘多頂部平整,顯見著原本是與周遭的平原一體,受推擠上抬而形成。據推想,暗斑的形成是下層溫度較高的“暖冰”在透刺(diapir)作用下向上涌升而穿透表層的“寒冰”所致,其運動機理與(地球)地殼內部的熔岩窨(magma chamber)相似。光滑的暗斑是“暖冰”沖破表殼時有融水滲出所造成,那些粗糙雜錯的斑痕(又被稱作“混沌”(chaos)區域,如康納馬拉混沌)是由大量細小的表殼碎片鑲嵌在暗色的圓丘中所構成,就像是極地海洋中漂浮的冰山(地球)。

冰下海洋

木衛二的表面溫度在赤道地區平均為110K(-163 ℃),兩極更低,隻有50K(-223 ℃),所以表面的水是永久凍結的。但是潮汐力所提供的熱能可能會使表面冰層以下的水保持液態。這個猜想最初由針對潮汐熱的一系列推測所引發(略為偏心的軌道和木衛二與其他伽利略衛星之間的軌道共振所產生的後果)。

據推測木衛二的地形特征意味著冰下海洋的存在。有學者將木衛二表面極富特色的混亂地帶解釋為下層海水滲出地表而造成。但是這一解釋爭議極大,多數對木衛二進行研究的地質學家更傾向于支持一個被稱作“厚冰”模型的理論,他們認為即便存在這樣的海洋,也幾乎不可能對表面造成直接的影響。對冰殼厚度的估算也存在相當大的分歧,有認為是幾千米的,也有認為是數十千米的。

如果身處木星的衛星木衛二,可以看到高達200千米的壯觀噴泉。這可能是木衛二冰凍表面下隱藏著一個巨大海洋的最好證據。美國和德國研究人員2013年12月12日在《科學》雜志上報告說,他們利用哈勃太空望遠鏡于2012年11月和12月以及1999年所拍攝的圖像,確定在木衛二南半球的兩個不同區域有著過多的氫和氧,而解釋隻有一個,那就是這些氫和氧是從木衛二噴射出來的水被電解而來。

木衛二上的噴泉間歇性地噴發,每次噴發時間約7小時。由于這種現象在木衛二距離木星最遠處出現,在最接近木星時消失,研究人員推測,木星對木衛二的潮汐引力發揮了重要作用,它可能導致木衛二表面冰層在最遠點時出現裂縫,而噴泉就從這些裂縫中噴射而出,當到達木星近點,這些裂縫則逐漸閉合。噴泉的出現說明木衛二冰凍表層的部分區域可能很容易被內部的海洋“突破”,而這對將來探索木衛二是否宜居具有重要意義。因為這種間歇性的噴泉會將木衛二表面和深層的物質噴向高空,將來研究木衛二成分就無需在冰層上鑽孔。

木衛二上的噴泉可能類似于土星的衛星土衛二上的噴泉,土衛二上的噴泉是從非常狹窄的裂隙中逃逸出的高壓水汽排放所致。不過木衛二上的重力比土衛二大12倍,因而木衛二的噴泉不會像土衛二那樣大部分逃逸到太空中,而是噴發到201千米的高度時落回木衛二表面。

長久以來,許多科學家認為木衛二是太陽系中除地球外最有可能存在生命的星球,這是因為在木衛二表面冰層下隱藏著一個巨大海洋,而有液態水就有可能存在生命。美國航天局2013年12月11日還宣布,在木衛二表面首次發現了黏土型礦物,這意味著木衛二可能存在對形成生命至關重要的有機物。 

撞擊坑

木衛二表面為數不多的幾個大形的撞擊坑就是支持“厚冰”模型的最佳證據。最大的一個撞擊坑被若幹同心圓圈所環繞,坑內被新鮮的冰填充得相當平整。以此為基礎再結合對潮汐力所生成的熱能的估算,所推測出冰殼厚度在10到30千米之間,這就意味著冰下的海洋可能深達100千米。

伽利略號軌道飛行器還觀測到,木衛二在通過木星巨大的磁場時自身會產生一個強度呈周期性變化的弱磁場(其強度與木衛四接近,約為木衛三磁場的四分之一)。有猜測認為,冰下鹹水海洋中的極性離子是該磁場的成因。 另有光譜分析的證據表明,木衛二表面裂痕中微顯淡紅色的物質有可能是從冰下滲出的海水揮發後沉積下來的鹽(比如硫酸鎂),硫化氫也是這一現象的一個合理的解釋。但是,由于這兩種物質的純凈物都是無色或白色的,別的一些物質也被用于解釋淡紅色的成因,比如含有硫磺的混合物等。

相關資料

發現者

伽利略

馬裏烏斯

軌道平均半徑

671,034 km

離心率

0.0094

近地點

664,700 km (0.00444 AU)

遠地點

677,300 km (0.00453 AU)

公轉周期

3.551181041 d

軌道周長

4,216,100 km (0.028 AU)

最大公轉速度

13.871 km/s

平均公轉速度13.741 km/s
最小公轉速度13.613 km/s

所屬行星

天然衛星之一

平均直徑

3,121.6 km

表面積

3.1×107 km²

體積

1.593×1010 km³

質量

4.80×1022 kg

平均密度

3.014g

表面重力

1.314 m/s2 (0.134 g)

逃逸速度

2.025 km/s

自轉周期

與公轉同步

赤道轉速

zero

自轉軸傾角

0.67

反照率

5.3

冰火山

木衛二的質量太小,以至于木星的其他衛星的引力嚴重影響到它。 在木星和木星其他衛星的引力牽引下,在木衛二上出現了潮汐摩擦力,使木衛二升溫,從而使冰和液態水從木衛二表面噴發,場面非常壯觀。就像地球上的火山那樣,隻不過,木衛二上的冰火山噴發的是冰和液態水。

冰川

木星的第一顆衛星上有火山,而第二顆衛星木衛二上卻有冰川,與木衛一截然相反,這使科學家們感到困惑不解。木衛二是一個寧靜的世界。它的地勢非常平坦,最高的丘陵才50米。它的表面覆蓋著一層晶瑩剔透的冰層。科學家收到了宇宙探測器“旅行者”2 號發回的照片,通過研究,推測木衛二有一個帶冰殼的固體核心,而且在冰殼和核心之間,可能有一層液態水。正是這樣的構造,形成了木衛二平坦的地形,並使它承受了隕石以及小行星的撞擊而不變形。天文學家史蒂文森等人計算了木衛二的熱耗散,證實在核心和冰殼之間確實存在一個液態水層。他們通過幾種不同模式的實驗,得出了木衛二在25千米深的冰層下,存在著一個地下海洋的結論。

海洋

美國航宇局伽利略號木星探測器最新發回的圖像表明,木星的衛星木星二上有大量的液態水,它表面上的冰幔隻有1~2公裏厚,並有內部火山熱源存在。這是迄今為止關于某個地外天體上有液態水存在的最強有力的證據,也增大了人們搜尋到地外生命的可能性。如果木衛二真如科學家們構想的那樣還存在著有機化合物,那麽它就滿足了生命存在的條件。

伽利略探測器在離木衛二僅586公裏處飛過時拍攝的照片顯示,似乎有是一些冰山漂浮在被冰覆蓋的海面上。這些冰山最大的有13公裏寬,可以明顯地看出是從帶溝槽的地帶上斷裂下來的。科學家們對于照片上的特征與地球北極區照片的相似程度感到吃驚。伽利略早先發回的圖像曾表明木衛二有表面運動現象,但運動特征的尺度約有80公裏,可能歸結于無液體參與的板塊運動。這次發現的冰山是漂浮在液體上,而不是在具有可延性的地幔上。

從冰山投下的陰影可以算出它們比周圍的冰海高出100~200米。假定同地球上一樣,凍的密度比液態水低約10%,那麽冰山約90%的部分應在冰面以下。這就是說,冰山的厚度應在1~2公裏。

在照片上這片凍結的海面上隻找到了兩處撞擊坑,說明這裏的形成年代可能還不到100萬年。這增加了這片區域是新形成的、還存在液態水的可能性,而且這種現象在木衛二的其它地方可能也存在。新發現的證據表明,木衛二的整個表面年輕幾個數量級。估計是利用解析度不足1公裏的大範圍圖像,根據大型撞擊坑(直徑約10公裏左右)的數目做出的,但某些這種 “撞擊”坑的近視圖像顯示它們實際上是由木衛二內部現象引起的表面再造過程形成的。例如,在70米解析度的近視圖像上看得很清楚的一個多邊形凹陷在大範圍圖像上就被錯認為是一處撞擊坑。

高解析度還使得研究人員能夠數出數量較多的小型撞擊坑(直徑0.1~1公裏)的數目,這些資料使撞擊坑尺寸/ 密度分布比按10億年表面壽命估計的數值低3個數量級。這意味著該衛星的某些區域比原來估計的年齡低1000倍。要把撞擊坑數目轉化為木星表面年齡資料不是件容易的事,原因是人們對木星附近流星通過量的了解不像對地球附近那樣充分。

地下鹽湖

美國宇航局發現在木星的衛星——木衛二的冰層下方存在一個巨大的鹹水湖泊,其水量大致相當于北美地區著名的五大湖的水量總和。

這個新發現的湖泊位于木衛二的地表冰層下方大約3公裏處,它代表了太陽系中人類發現的最新一處潛在的生命孕育所,同時也被認為是除了地球之外太陽系中最適合生命生存的環境之一。

科學家利用伽利略號探測器拍攝的圖像與地球上高緯度冰山漂浮地區和冰蓋地區圖像進行對比分析,初步證實“混雜地貌”(由伽利略號探測器所拍攝的圖像上那些曾經讓人困惑的兩個大致呈現圓形,似乎崎嶇不平的區域)是漂浮的冰山相互碰撞形成的無規則聚合體,但是要想進一步確認這一發現,科學家們還需要更加詳盡的資料,這就需要借助攜帶有能夠穿透冰層雷達的探測器進行近距離觀察。美國宇航局正在考慮在2022年之前發射一艘這樣的飛船,攜帶專門設備抵近木衛二展開考察。

木衛二的冰層下方可能還存在更多其它未被發現的湖泊。考慮到這些冰下湖的上覆冰層在某些地區可能比較薄,厚度僅有數十米,這就為未來探尋這些湖泊中潛在的生命跡象提供了很大的便利。這種較小的冰層厚度可能意味著未來或許將有更多的機會可以在這裏著陸,並獲得來自這些冰下湖的沉積取樣用以研究。

光滑解釋

木衛二是不是像木衛一一般被引潮力“摩擦”加熱?多少程度?是不是在冰下隱藏了什麽火山作用呢? 據英國有關媒體報道稱,為了更深入地研究這顆木星的天然衛星,科學家們還計畫發射探測器前往木衛二進行近距離觀測研究。科學家們之所以對木衛二存在著濃厚的研究興趣,是因為他們認為木衛二厚密的冰層底下存在著大量的液態水。美國科學家們繪製出的這張木衛二地質圖將幫助科學家們更多地了解這顆衛星的地質演化史和確定今後對其進行深入研究的基本方向。這張地質圖是科學家們依據“伽利略”號和“旅行者2號”探測器獲取的資料繪製的。

木衛二

眾所周知,1998年-2003年,“伽利略”號和“旅行者2號“分別對木星及其衛星進行了較近距離的探測研究。 根據獲取的資料科學家們推斷稱,木衛二表面的地質歷史相對年輕但富于變化,同時木衛二上很少有火山活動。它上面存在的諸多巨型裂谷很可能是木星強大的引力所致。據亞利桑那大學行星地質學教研室主任勞恩-格裏利表示,繪製木衛二地質圖最大的困難在于科學家們是否信任探測器發回的有關探測資料。

“旅行者-2”號探測器所拍攝的木衛二表面照片清晰度為每像素2公裏。而“伽利略”號在圍繞木星及其衛星飛行時所拍攝的照片清晰度可達每像素12.6-0.23公裏。在繪製這張木衛二地質圖時科學家們綜合了這兩枚探測器提供的資料資料。 認為木衛二上存在有關生命的科學家們還持有這樣的觀點,木衛二擁有生命誕生所必需的一切條件,那就是它上面存在著液態水、豐富的能源(主要指木星的強大引力)和有機化合物。如果木衛二上真存在生命,那麽這些生命將類似于地球深海熱水條件下生存的有機體。 2015年後科學家們將向木星及其衛星發射一枚專門的探測器。勞恩-格裏利和來自美國局噴氣推進實驗室的羅伯特-帕帕拉爾多將率領數十名天文專家來研究如何去探測木星系統,包括探測器沿怎樣的飛行軌道飛行、將搭載哪些科研儀器和設備等。 科學家們還希望向木衛二發射一枚配備有機器人的探測器,以便于能夠深入木衛二冰層以下研究其地下水。不過,這一想法實施起來非常困難,因為木衛二表面覆蓋的冰層可能達20公裏厚。

據英國科學家們約翰-扎爾涅茨基稱,欲研究木衛二必須得先發射軌道探測器以探知冰層以下到底是什麽,然後再利用其它探測器去探個究竟。

木衛二表面以下發現液態水

科學家們發現木衛二的極地旋轉軸偏移了近90度,像這樣的極端變化表明在木星冰殼表面之下蘊藏著液態海洋,這將進一步說明木衛二很可能孕育著地外生命體。這項研究是由卡內基研究所、月球和行星研究協會和加州大學聖克魯茲分校的科學家聯合負責的,該研究報告發表在《自然》雜志上。

卡內基研究所地磁部的伊薩姆氰禚蘇亞馬是該聯合研究小組成員之一,他使用“航行者”號、“伽利略”號和“新地平線”號宇宙飛船拍攝的圖片繪製了木衛二表面上直徑超過500公裏的大型弧狀盆地。據悉,木衛二的半徑為1500公裏,略微地比月球要小一些。

通過對比木衛二極地旋轉軸偏移施壓形成的盆地斷裂地形特征,研究人員測量極地旋轉軸偏移了80多度,之前旋轉軸位于當前赤道旁10度左右位置。

木衛二極地旋轉軸猛烈的偏移很可能是由于極地表面以下存在著厚厚的冰層。馬特蘇亞馬說,“旋轉體需要在最大程度的旋轉軸變化基礎上尋求穩定平衡。對于木衛二而言,其外殼的厚度不一致將導致很大程度上的不平衡,因此木衛二在運行中必須改變旋轉軸尋求新的穩定狀態。”

像這樣的變化被稱為“真實極地偏移”,並不像由于板地築造學上的視覺漂移。在地球、火星和土星土衛二上也存在著真實極地偏移。馬特蘇亞馬稱,我們的研究也將木衛二列入其中,這說明我們需要對這顆行星進行更多的重新定位研究。

同時這項研究暗示著木衛二內部有液態水存在,科學家基于宇宙飛船拍攝的照片曾猜測這顆行星有廣闊的地下海洋,這些照片揭示木衛二表面以下有斷裂的冰表面。木衛二重力作用形成的潮汐力可將地下冰殼海洋加熱成為熱態水,即使地下海洋切斷了太陽能來源,但是熱量和液態水也有可以孕育生命。

木衛二可能存在魚類生命

2009年11月,美國亞利桑那大學科學家理查德-格林博格等人經研究發現,木衛二可能存在類似于魚類的生命

如今許多科學家都相信,木衛二表面沒有陸地,而在厚厚的冰層之下存在著一個覆蓋全球的海洋,海洋深度大約為160公裏。格林博格的最新研究表明,木衛二的海洋正在吸收大量的氧氣,它所吸收的氧氣量比此前的模擬預測結果還要多得多。科學家認為,這些氧氣足夠支持多種生命形態的存在,從理論上講,木衛二海洋中至少應該存在300萬噸類魚生物。格林博格解釋說,“盡管目前還不能說那裏肯定存在生命,但我們至少知道那裏的物理環境支持生命的存在。”

美國伍茲海爾深海生態學家蒂莫西-尚克認為,木衛二的海底環境與地球海洋底部的“熱液出口”具有極大的相似性。眾所周知,地球海底熱液出口處存在著許多生命形態。因此尚克堅持認為,“如果木衛二上沒有生命,那才是奇怪的事。”

探索發現

有關木衛二的大多數知識都獲取自旅行者和伽利略兩次任務中的飛掠觀測(flyby)。

計畫

雄心勃勃的木星軌道器計畫已于2005年取消,但是還有各種各樣針對木衛二的未來探索任務的議案被不斷的的提出。

2006年NASA(美國航空暨太空總署)的預算中編列了應美國國會的口頭提請為未來的環航木衛二計畫而建立基金。在構想中,該計畫的任務包括:通過重力和高度的測量手段確認木衛二的表面冰殼下是否存在海洋;大範圍地對地表進行高解析拍攝,通過光譜分析以確認其表面物質的化學成分;以及利用穿冰雷達對冰層進行穿透探測等。該計畫甚至考慮讓飛船攜帶一個小型的著陸裝置,利用此裝置直接分析木衛二表面的化學成分,同時採集地震波資料以確定冰層的厚度和活躍程度。然而不可確知該計畫是否有切實啓動的可能,NASA2007年度的預算編列中就沒有這項資金。

計畫二

另一個可行的計畫是使用與深度撞擊(DI)計畫相似的撞擊器。用撞擊器猛烈撞擊木衛二表面以激起碎屑煙霧,讓一艘小型飛船穿過煙霧收集碎屑。因無須從木星或木衛二的環航軌道上發射著陸器——當然也省略了從衛星上重新起飛的步驟——燃料的消耗將大大縮減,故而該構想被看成是最經濟的方案之一。

其他

還有一些更大膽的構想,比如發射一個著陸器尋找凍結在冰殼淺層的可能的生命跡象,或者直接深入內部對冰下海洋進行探查。提案之是派遣一個被稱作“融探”(Melt Probe)的巨型核動力探測器(穿冰機器人——cryobot),用它融冰打孔,一直鑽入到冰下海洋,接觸到水後再釋放一個自主運行的水下行走器(涵泳機器人——cryobot)。這個裝置可以將收集到信息傳送回地球。穿冰和涵泳機器人都要經過嚴格的消毒,以避免將可能從地球攜帶的有機質誤認作當地的生物,並杜絕對冰下海洋的污染。這一議案尚未進入嚴肅籌劃的階段。

Cryobot在南極洲經過了測試。隨著鑽頭通過產生的熱量融化冰層,探測器會“越陷越深”。融化冰層從理論上講是個不錯的概念,但如果探測器碰到冰層深處的東西,比如大塊石頭,它將陷入其中不可自拔。如果不能融化冰層,那麽探測任務將就此走向終結。香港理工大學和匈牙利格拉茲威爾特勞姆福斯特研究所設計出將鑽探技術和融化方法完美融為一體的創新方法。他們提出的“熱鑽”(thermal drill)系統原型機在實驗中表現不俗,實驗結果刊登在2008年7月出版的《行星和空間科學》雜志上。

高校空間研究協會(Universities Space Research Association)于2006年南出版了一冊《太陽系探索指南》(Solar System Exploration Roadmap)作為NASA的決策參考。該手冊將對木衛二的探索排在前列,建議于2008年啓動一系列有關旗艦級木衛二任務的策劃項目,並期望飛船能在2015年升空。

美國宇航局正在籌劃一項前往木衛二的探測計畫,預計于2022年左右發射升空。科學家們希望能夠確認這顆冰衛星上是否存在宜居環境。

生命之謎

人類移居的可能性

2009年年底,美國亞利桑那大學科學家理查德格林伯格發表論文指出,木衛二的海洋中至少應該存活著300萬噸似魚復雜生物。這將13年前科學家們提出的木衛二生命假說又向前推進了一步。木衛二是1610年由伽利略發現的,航天器對木衛二的探測表明,它的外殼冰層下可能有海洋,有了海洋就意味著其中可能有生命存在。科學家們一直在設法揭開其生命之謎,

人類能否在木衛二“歐羅巴”星球上生活?來自美國宇航局的專家認為這顆木星具有較大的“宜居”潛力,未來可能適合人類居住。下一步,科學家將發射探測器對木衛二的冰下海洋進行調查,確定其厚度和分布情況,有研究認為木衛二的海洋可能與地球相似,也具有一定的鹽度。美國宇航局噴氣推進實驗室博士羅伯特·帕帕拉多認為派遣探測器降落木衛二表面是一個非常有遠見的行星科學目標,同時也是一個困難的技術挑戰。

一篇來自《天體生物學》期刊的文章詳細描述了未來木衛二探索任務的三個主要目標:第一,至少要在兩個不同深度上監測木衛二海水鹽度、有機物質以及其他污染物等;第二,調查木衛二冰殼、海洋物理環境以及表層物質磁學特徵;第三,科學家希望探測器能傳回木衛二表面地表特征的照片。木衛二被稱為“歐羅巴”星球,其表面有著各種各樣奇怪的地形,酷似仙境,根據伽利略探測器的觀測資料,科學家依然不了解該天體表面上錯綜復雜並交織在一起的“神秘細線”,派遣探測器登入木衛二可以解決許多關鍵問題。

2013年3月,科學家認為有充分的證據顯示木衛二的冰凍表面下擁有巨大的鹹水海洋,冰下海洋與表面還存在化學物質的交換,使得海洋中的化學物質更加豐富。加州理工學院天文學家麥克·布朗教授認為能量可以從這些化學迴圈通道中進入木衛二的冰下海洋中,這對生命而言是非常重要的。

木衛二上是否有海洋

航天器對木衛二的探測表明,其上可能有海洋。正因如此,在對木星衛星的探測中,科學家們最重視的就是木衛二。

早在1979年,旅行者1號和2號探測木星時就發現,木衛二像個冰與奶油朱古力混合的大球體,表面上分布著彎曲條紋。科學家們分析研究木衛二的照片和探測資料後提出,該衛星表面覆蓋著5000米厚的冰層,冰層下面可能有一個深達50千米的海洋。

從1996年伽利略號在距離木衛二16萬千米處拍攝的照片上看,這顆星球呈現出冰殼狀,表面裂縫交錯,像地球兩極的浮冰,說明冰層曾受到巨力的作用。科學家們研究後認為,這種力是由木衛二和木星及其他三顆伽利略衛星之間的引力形成的潮汐力,其作用不僅形成木衛二的表面特征,還使其內部的水以液態存在。

1996年末,伽利略號從距離木衛二688千米處經過時拍攝的照片顯示,木衛二表面有水流存在。科學家們說,這種現象表明木衛二核心很熱,大量熱能從火山口或熱泉眼噴發出來,導致表面部分冰層融化。

1997年1月,伽利略號用磁強計對木衛二的磁場進行的探測顯示,木衛二隻能有一個內磁場才能解釋獲得的結果。這個內在導電層的導電率必須和含鹽海水一樣強。由此科學家們再次得出木衛二上可能有海洋的推論。同時,發回的新照片表明,木衛二表面裂縫位置發生了變化,說明很可能是表層下的海洋流動造成的。

“冰激凌”內熱外冷“夾層”是海洋

1997年2月,伽利略號從距離木衛二586千米處飛過時拍攝的照片顯示,木衛二表面最大的冰山寬達13千米,高為100~200米。美國科學家史蒂文等人認為,由于木星對木衛二核心的引力作用,使其冰幔下面的水保持液體狀態,成為深達幾千米的海洋。1998年12月伽利略號拍攝的照片顯示,木衛二南部有一條長達800米的裂縫。

2000年1月,伽利略號從距離木衛二351千米處掠過時發現,木衛二地磁北極點位置頻繁移動。科學家們認為,這是木衛二含鹽海洋在冰層下流動形成電磁場引發的結果。

在研究了木衛二表面裂縫照片之後,2002年9月格林伯格研究小組宣稱,木衛二冰層較薄,觀測到的表層裂縫可使氣體、熱量和有機物質接觸到表層下面可能存在的水。這種情況顯示,木衛二可能存在的海洋同地球上的北冰洋相似。既然北冰洋能通過冰層的裂縫接觸空氣和熱量,那麽木衛二上的海洋也能通過冰層裂縫與外界接觸。

科學家們依據旅行者2號和伽利略號獲取的資料,于2007年繪製出的首張木衛二全球地質構造圖揭示,其表面地質構造比較年輕且富于變化。2008年,科學家們發現,木衛二極地旋轉軸偏移了80多度。這樣的極端變化表明木衛二表面冰殼厚度不一致,在其下面有廣闊的海洋。科學家們還用多種航天器獲得的照片,繪製了木衛二表面直徑達500千米以上的大型弧狀盆地圖像。經綜合分析研究,科學家們認為,木衛二內部有一個金屬核,核外是石質的殼,殼外是液態水海洋,海洋表面是冰層。

是否具備生命存在的三個基本要素

由于水是孕育生命的重要條件,故而科學家們在發現木衛二上可能有海洋之後,就推斷其海洋中可能有生命。

1979年旅行者號發現木衛二表面廣泛分布著彎曲的褐色條紋之後,有的科學家就認為,這意味著該星球上存在著有機分子,因為多種有機聚合物是呈褐色的。同時對可能存在的海洋來說,其環境可以維持有機體的生存,因而估計木衛二上可能存活細菌一類的低級生物。

1996年8月,美國科學家提出,木衛二的海底也可能存在火山,其噴發提供的熱量足以使某些不需要陽光和空氣的微生物生存下去,這一論點被稱為木衛二生命假說。木衛二冰層下面有水、充足的熱量和有機化合物這三個生命存在的基本要素,其環境很有可能符合宇宙生物學的標準。地球海洋深處一些火山口的周圍,沒有陽光和氧氣的極端惡劣的自然環境中都有原始微生物繁衍生息,就是因為這些地方都具備上述三個條件。提出和贊同木衛二生命假說的科學家們認為,從環境條件推斷,其生命形態隻能是低級的海洋生物。

這些科學家認為,地球生命源于海洋裏的火山噴口,此一原理也適用于木衛二。他們猜測,受木星引力影響,木衛二內部亦有火山活動。當木衛二從木星一側飛向另一側時,木星會擠壓木衛二,導致後者的核心處于熔融狀態,從而引起火山活動。火山雖未噴發出表面,但卻加熱了冰層下面的水,使其呈液體狀態,形成海洋。木衛一由于距離木星更近,受到的擠壓更大,故而火山噴出表面,並留下硫磺和其他化學物質。地球海底熱液噴口處也有很多同類化合物,且與地球早期生命有關。由此科學家們推斷,木衛二海底火山活動也會噴發類似化合物,並造成溫暖的環境,從而孕育並存活了生命。

揭開生命之謎的四個探測方案

人類尋找地外生命的具體目標,排在第一位的是火星,排在第二位的就是木衛二。怎樣利用航天技術揭開木衛二生命之謎呢?科學家們已提出四種可行的方案。

一是用飛彈轟擊取樣

人類將從地球向木衛二發射一艘宇宙飛船,當其飛臨木衛二近空時,適時發射一枚飛彈,猛烈轟擊目標的表面,使冰層碎塊飛向高空,隨即飛船穿越炸出的冰塊雲團,伸出“凝膠”收集部分碎冰,並運回地球,供科學家們研究,以便確定有無生命信息。

二是用航天器進行近空探測

美國宇航局和歐空局正在研製名為木衛二木星系任務的探測器,計畫將于2020年發射升空,2026年到達探測區域,預定工作期限為三年。探測器由兩個軌道器組成。美國負責攜有相機、光譜儀和強大雷達系統的木衛二軌道器。當其進入環繞木衛二軌道開展探測工作時,雷達系統可以穿透木衛二冰層,計算出冰層厚度,其他儀器將研究海洋生物跡象。它將幫助科學家縮小可能存在生命區域的範圍,為以後的探測提供依據。歐空局負責攜有相機、光譜儀、塵埃分析器、質譜儀或者磁力計的軌道器,屆時主要是對木星衛星進行探測。

三是用航天器著陸探測

俄羅斯將參與歐空局2015年至2025年的一項空間研究計畫,以便登入研究木衛二,尋找簡單的生命形式。這一項目的航天器以法國天文學家皮埃爾韁餶拉普拉斯的名字命名。俄羅斯將研製一個登入探測器,搭載在該航天器上。屆時登入探測器將降落在木衛二表面冰層的一個裂縫處,並融化一些冰,開始尋找生命蹤跡,隨即將探測結果通過拉普拉斯航天器傳回地面。

四是用機器人鑽入海洋探測

其方案是向木衛二發射兩個著陸機器人,一個能鑽穿冰層開闢一條通往海洋的孔道,另一個能沿著孔道進入海洋開展探測工作。水下機器人攜帶的科學儀器能夠進行環繞考察並找出微生物,包括不同于地球上的生命形態。其探測結果將適時發回地球。為保證探測效果不受木衛二以外的任何因素影響,兩個高度自動化的機器人必須完全滅菌。

木衛二將驗證或修正宇宙生物學標準

探測木衛二有無生命的意義在于,除弄清真相外,還可驗證或修正宇宙生物學標準。如果發現了木衛二上有生命,那就證明了宇宙生物學標準至少適用于太陽系天體。如果推斷條件屬實而未發現生命,則需修正這一標準。如果推斷條件不存在,則另當別論。無論獲得何種真實情況,都能深化人類對木衛二乃至太陽系天體的認識,促進空間科學的發展。

其他疑惑

移居木衛二?

極度深寒還有點兒擠

在太陽系八大行星中,木星是最大的。木衛二是木星的四大衛星之一,直徑為2920千米,隻有地球直徑的約四分之一,體積比地球的衛星月球稍微小一點。科學家推測木衛二的表面溫度在赤道地區平均約為-163℃,兩極更低,隻有-223℃,所以表面的水是永久凍結的。但是潮汐力所提供的熱能可能會使冰層下的水保持液態,另外木衛二上長達60小時的白晝,也使得表面冰層的裂口有可能接受到充足的陽光。即便這樣,假如有一天人類能征服木衛二,也恐難以長久移居。

火星和木衛二,地球人先到哪一個?

除了木衛二之外,火星被認為是另一個可能存在生命形態的星體,因為科學家研究發現,火星的地下深處仍可能有液態水。與木衛二相比,火星距離地球更近,因此,對于火星生命之謎的探索,科學家也一直高度關註。未來的太空任務已經把火星和木衛二同時作為發射新遙控探測器的最終目的地。火星和木衛二,誰會被最先證明,是地球的兄弟或者陌生人?

木衛二發現黏土型礦物

美國航天局11日宣布,在最可能有生命存在的木星衛星——木衛二的表面首次發現了黏土型礦物,這意味著木衛二可能存在對形成生命至關重要的有機物。

美國航天局當天在一份聲明中說,在木衛二表面發現了一種叫做層狀矽酸鹽的黏土型礦物,這種礦物很有可能是由彗星或小行星撞擊木衛二帶來,而帶來黏土型礦物的彗星或小行星通常也攜帶有機物。

可能的生命

據猜想,冰下的海洋中可能有生命存在,其生存環境可能與地球上的深海熱液口或南極的沃斯托克湖(Lake Vostok)相似,其生命的形態可能與地球上的某些嗜極生物相似。盡管還沒有任何證據,但基于可能存在的液態水,相繼有若幹項向木衛二派遣空間探測器議案曾被提出(詳探索一節),

2013年12月11日美國國家航空航天局(NASA)宣布,探測器在被冰雪所覆蓋的木衛二上發現了其與彗星及小行星撞擊後形成的類似黏土狀的礦物質。根據“伽利略”號探測器1998年拍攝到的木衛二近紅外線圖片來看NASA研究小組認為,木衛二上有一種與酰基氯類似的礦物。由于小行星或彗星的中心核中蘊含可形成生命的有機物NASA研究者表示,木衛二的冰雪表層下極有可能隱藏廣袤的海洋,歷經漫長時間後或許有育成生命的可能性,

發現噴泉

美國和德國研究員發表報告稱,在木星的衛星之一“木衛二”上,發現有間歇性噴發的噴泉,這是木衛二冰凍表面下隱藏著一個巨大海洋的最好證據。一旦有了水,也就意味著可能有生命!長久以來,科學家們都認為“木衛二”可能存有生命。

木衛二木衛二

新的研究顯示,木星的一個衛星—木衛二有豐富的重要礦物質,還有從地下海洋裏噴發的壯觀水柱這可能是太陽系裏又一個宜居之地。

哈勃望遠鏡確認了木衛二上間歇性噴發的兩處巨大羽狀水柱,高達兩百千米,另一項研究在該星球冰凍表面發現了散落的泥土似的礦物質。

《科學》雜志上發表的文章說,通過對哈勃望遠鏡的資料進行分析發現,水柱通常在木衛二圍繞木星軌道運行時的某些特定時刻噴發,這表明噴發原因是周期性的巨大潮汐力使該星球地下海洋的壓力增大,使其液體從表面的冰縫噴涌而出,

報道指出,在已知的63個木星的衛星中,木衛二是最重要的一個。天文學家認為,它的冰層表面之下有海洋存在這是由于潮汐力的熱量使其保持液態。一些科學家認為這片海洋中可能有生命,而礦物質和潮汐熱能可以為其提供能量。

另一項對美國航天局伽利略項目收集的資料的研究顯示,在木衛二表面發現的重要泥土類礦物質可能是該星球此前與小行星或彗星相撞產生的。

美國航天局噴氣推進實驗室的吉姆·雪利說:“我們經常在彗星或原始小行星上找到構成生命的重要物質—有機礦物質在木衛二的表面發現與這類彗星相撞的殘留物可能為我們在該星球尋找生命開啓新的篇章。”

很多科學家認為木衛二可能是太陽系裏除地球外最適宜生命存在的星球。

2016年9月26日,NASA發現木衛二歐羅巴有水汽噴發,而有水就有可能有生命存在。根據NASA最新公布的歐羅巴表面向外噴射羽狀水柱圖片,哈勃望遠鏡觀測到歐羅巴表面的水蒸氣柱沿7點鍾方向向外噴出。這是木衛二冰層下有液態海洋的強有力證據,能為孕育生命創造有利條件。

相關詞條

相關搜尋

其它詞條