泰坦 -太陽系裏土星的衛星

泰坦

土衛六(Titan,又稱為泰坦星)是環繞土星運行的一顆衛星,是土星衛星中最大的一個,也是太陽系第二大的衛星。荷蘭物理學家、天文學家和數學家克裏斯蒂安·惠更斯在1655年3月25日發現它,也是在太陽系內繼木星伽利略衛星後發現的第一顆衛星。

由于它是太陽系唯一一個擁有濃厚大氣層的衛星,因此被高度懷疑有生命體的存在,科學家也推測大氣中的甲烷可能是生命體的基礎。土衛六可以被視為一個時光機器,有助我們了解地球最初期的情況,揭開地球生物如何誕生之謎。

土衛六上的表面重力極低,和月球相當,但又擁有濃厚大氣層,其表面的大氣壓約為地球的1.5倍,這種奇特的現象對研究行星大氣學是一個很好的題材。同時濃厚的大氣加上相當低的表面重力令登入和起飛更容易。

  • 中文名稱
    土衛六
  • 外文名稱
    Titan
  • 平均密度
    1.880×10^3千克/立方米
  • 逃逸速度
    2.639 km/s
  • 公轉周期
    15天22時41分24秒
  • 分    類
    衛星
  • 平均半徑
    2575千米
  • 表面重力
    1.352 m/s²(0.14g)
  • 表面溫度
    94K(-179.15℃)
  • 發現者

基本簡介

土衛六(Titan,又稱為泰坦星)是環繞土星運行的一顆衛星,是土星衛星中最大的一個,也是太陽系第二大的衛星。

土衛六土衛六

荷蘭物理學家、天文學家和數學家克裏斯蒂安·惠更斯在1655年3月25日發現它,也是在太陽系內繼木星伽利略衛星後發現的第一顆衛星。由于它是太陽系唯一一個擁有濃厚大氣層的衛星,因此被高度懷疑有生命體的存在,科學家也推測大氣中的甲烷可能是生命體的基礎。

土衛六可以被視為一個時光機,有助我們了解地球最初期的情況,揭開地球生物如何誕生之謎。

名稱來歷

惠更斯簡單的把這顆他發現的衛星稱為“Saturni Luna”(“土星的衛星”)。之後,喬凡尼·多美尼科·卡西尼為了表達對國王路易十四的敬意將發現的四顆衛星(它們是土衛三-特提斯,土衛四-狄俄涅, 土衛五-雷亞 以及土衛八-伊阿珀托斯)命名為Lodicea Sidera(路易之星)。天文學家依據習慣把這五顆衛星以數位加以編號。其他的衛星則被稱為惠更斯衛星或土星的第六顆衛星(從當時知道的距離土星遠近排列,土衛一美馬斯和土衛二恩克拉多斯在1789年被發現)。

泰坦

土衛六的英文名稱"泰坦"和其他另外七顆當時已知的土星衛星的名稱來自約翰·赫歇爾爵士(約翰·赫歇爾是威廉·赫歇爾爵士之子,威廉·赫歇爾本人發現了土衛一和土衛二)。約翰·赫歇耳在1847年出版的《在好望角天文觀測的結果》一書中把這顆新衛星命名為泰坦,泰坦在神話中是克龍(即希臘神話中的薩坦-Saturn-土星)的妹妹。

物理特徵

土衛六是土星最大的衛星,也是太陽系第二大衛星,大于行星水星的體積(雖然質量沒有水星大), 在太陽系中它的大小僅次于木星最大的衛星木衛三。但最近的觀測也顯示其濃密的大氣可能使人們過高估計了它的直徑, 如同許多其他的衛星一樣,土衛六比小行星134340(原冥王星)的質量和體積都要大。 土衛六平均半徑2575千米,質量1.345×10^23千克,平均密度1.880×10^3千克/立方米。土衛六環繞土星公轉軌道半長徑為1,221,850千米,偏心率0.0292,軌道平面與土星赤道面的交角為0.33°,公轉周期15天22時41分24秒。土衛六的自轉周期與公轉周期相同,這一點與月球類似。土衛六有濃密的大氣,主要成分是氮,表面大氣壓力1.5×10^5帕斯卡,表面溫度-179.15℃。

泰坦

土衛六質量與木衛三,木衛四,海衛一,小行星134340(冥王星)大體類似。土衛六一半是水冰一半是固體材料。在多個不同結晶狀冰層的3400米下有一個固體核心。其核心內部應該仍然熾熱。雖然土衛五以及其他的土星衛星也類似,但土衛六的核心密度更大,這是因為它體積巨大造成重力壓縮其內部造成的。

星球環境

大氣情況

大氣情況土衛六是已知擁有真正大氣層的衛星,其他的衛星最多隻是擁有示蹤氣體.。大氣的存在是1944年首先被傑勒德·柯伊伯(Gerard P. Kuiper)使用光譜望遠鏡發現的,他發現土衛六大氣的甲烷局部壓力達到100毫巴。後來,旅行者太空船的觀測也證實土衛六上擁有大氣,事實上,土衛六的大氣壓比地球還要大一點,星球表面的圧力是地球的1.5倍。土衛六表面濃密的雲層遮蓋住了它的表面地貌。人們一般認為土衛六表面是固態或液體乙烷。從地球的雷達測量發現那裏沒有大範圍的乙烷海洋,但是仍然有可能存在小的乙烷湖。後來,科學家對卡西尼太空船發回的照片進行研究,認為土衛六 上或許根本不存在液態甲烷海洋。研究人員曾通過地面望遠鏡對土衛六進行觀測,他們當時認為,種種跡象顯示這一土星衛星上可能存在液態海洋。但是,科學家們對得出的結論仍有疑惑之處,因為以前的觀測顯示土衛六表面確有著閃爍的液體反光,尤其是幾年前通過大型無線電望遠鏡觀測的結果更證明極有可能存在液體海洋。

泰坦 泰坦

土衛六大氣的98.44%是氮氣,是太陽系中惟一除了地球外的富氮星體,那裏還有大量不同種類的碳氫化合物殘餘(包括甲烷乙烷、丁二炔、丙炔、丙炔腈、乙炔丙烷,以及二氧化碳、氰化氫和氦氣)。這些碳氫化合物被認為來自于土衛六上層大氣中的甲烷。當甲烷因為太陽輻射而發生反應就會產生濃密的桔紅色煙雲。土衛六表面那像是被塗上了一層柏油的有機物沉淀叫做tholin。土衛六沒有磁場保護,所以當它有時運行在土星的磁氣層外時,便直接暴露在太陽風之下。這導致大氣電離並在大氣上層釋放出一些分子。

在接近表面時,土衛六的溫度大約是94K(-179.15℃)。水冰在這種溫度下會升華,所以大氣中會有少量的水蒸氣存在.土衛六表面除了覆蓋全球的迷霧之外也有各種不同的雲。雲可能是由甲烷,乙烷或簡單的有機物組成。其他稀有的復雜化學物質是土衛六在太空面板呈現橙色的原因。

2004年11月卡西尼號飛越過土衛六照片中明亮多雲的南極,但並未發現期望的甲烷存在.這令科學家們困惑,対雲成分的相關研究仍然在進行中,人們過去關于土衛六大氣的知識可能需要重新書寫。

2004年卡西尼號觀測大氣的結果發現土衛六大氣“超級旋轉”,就像金星那樣,其大氣要比表面旋轉快很多。

據美國科學日報報道,近期,西班牙格拉那達大學和瓦倫裏亞大學的物理學家們通過分析“惠更斯”探測器對土衛六的特殊觀測資料,明確地證實土衛六大氣層中存在著雷電風暴等自然電活躍性活動。科學團體認為有機分子、早期生命形式可能形成于行星或衛星具有雷電風暴的高層大氣層中。

自從1908年,西班牙天文學家喬西·科馬斯·蘇拉發現土衛六具有大氣層以來,在其他衛星上未曾發現過大氣層的存在。他解釋說,“在土衛六上形成著具有傳遞運動的大氣雲層,因此靜態電場和暴風雨狀況可以形成。依據俄羅斯生物化學家亞歷山大·奧帕金的理論和斯坦利·米勒的實驗,土衛六具有雷電風暴活動性的大氣層可能形成有機物質和早期生命形式,該條件下通過釋放電量可從無機混合物中綜合形成有機化合物。

表面特征

至2004年,人類對土衛六的表面地圖的了解仍然是非常缺乏了解的。無論如何,人類使用哈勃天文望遠鏡的紅外線和卡西尼-惠更斯號拍摂到一個高亮度,有澳洲大小區域的圖片。這個區域的非正式名稱是''Xanadu Regio''(世外桃源);沒有人知道那裏是什麽樣。類似的哈勃太空望遠鏡、Keck望遠鏡和甚大望遠鏡還觀測到土衛六上另外一片大小相近的深色區域,人們推測那裏可能是液態的甲烷或乙烷海洋,但卡西尼號觀測的資料發現可能是其他物質。卡西尼號還發回大量土衛六高解析度地貌圖像,其中包括謎一般的線狀條紋,一些科學家認為那可能是地殼構造運動產生的。

泰坦

2004年11月26日的一次飛越土衛六的觀測,發現土衛六光滑的表面上隻有很少的沖擊環形山,這些環形山在光線的作用下明暗對比強烈。這大概是土衛六烴雨或烴雪落入環形山或火山噴發活動活躍造成的經常地殼重構所致。 探測器的分光器發現亮區和暗區發射的太陽光波長一樣,這就意味著它們可能由相同的物質組成(或者至少是覆蓋著相同的物質)。至于到底是什麽物質,人們依然不清楚。人們曾希望憑借探測器觀測物體或液體反射光線而發現的烴湖或烴海並未被探測到.這使得科學家懷疑土衛六 表面可能是完全呈冰狀或泥濘狀態。

為了更好的了解表面地貌,卡西尼太空船在飛近土衛六時使用了雷達遙感測繪技術.傳回的第一張圖片就展現地表是一個復雜,崎嶇與平坦並存的區域.這種地貌看來應該是由火山造成的.火山可能噴發出水和氨水.另外也發現了一些好像風蝕產生的條紋狀地貌.還有一些看起來是已經被填平的沖擊環形山,其中的液體可能是液態烴。湖中有或沒有什麽仍然無法確定.另有一些區域返回的信號看來,可能是固體或液體,但其他的解釋仍然存在.土衛六看起來真的很光滑,表面沒有高于50米的地貌。

地表溫度

天文學家認為,土衛六上分布著眾多由液體甲烷和乙烷構成的湖泊,這顆衛星的寒冷程度超過南極洲。科學家表示,雖然土衛六上更加寒冷,但是它上面的風、雨和構造過程,使它成為太陽系中與地球最相像的天體。雖然這顆衛星低達零下292華氏度零下180攝氏度的平均表面溫度會使水始終保持固體狀態,但是它表面存在液體甲烷和乙烷,這些物質可為生命提供一個棲息地。

探測歷史

旅行者號

旅行者1號和旅行者2號曾經檢視過土衛六。旅行者1號曾嘗試盡可能的接近土衛六;不幸的是,旅行者1號上沒有儀器能夠穿透土衛六上的迷霧,因為當時根本不知道上面有雲層的存在。多年之後,在對旅行者1號桔色濾鏡拍攝的圖片進行復雜的數位處理後,雖仍然沒有能夠解釋如世外桃源地區和鐮刀地區明亮和黑暗地貌的成因,但從那時起,這些地區就開始被哈勃天文望遠鏡用紅外線加以觀測了。旅行者2號隻是粗略的檢視過土衛六,旅行者2號團隊必須從“調整軌道讓旅行者2號詳細檢視土衛六”和“使用另外一個訪問天王星海王星的軌道”中選取一個。由于旅行者1號沒有能夠觀測到其表面地貌,旅行者2號團隊選擇了後一個方案。

先驅者號

1979年9月1日,,“先驅者11號”飛掠土星,考察了土衛六。不過,當“先驅者11號”考察土衛六時,正趕上一陣強烈的太陽風,嚴重地影響了發回的信息。地面控製中心隻收到它在35萬公裏處拍下的5張高解析度的照片。在照片上,土衛六呈現美麗的桔紅色,像熟透了的桔子。“旅行者1號”于1980年11月11日飛臨土衛六。它離雲頂隻有4000公裏,探測取得完滿的成功。就是這次,測得土衛六的直徑為4828公裏,而不是過去認為的5550公裏。

隻有先驅者11號、旅行者1號和2號三個探測器飛臨土星進行過探測土星的活動。1979年9月1日,先驅者11號經過6年半的太空旅程,成為第一個造訪土星的探測器。它在距離土星雲頂20200千米的上空飛越,對土星進行了10天的探測,發回第一批土星照片。先驅者11號不僅發現了兩條新的土星光環和土星的第11顆衛星,而且證實土星的磁場比地球磁場強600倍。9月2日第二次穿過土星環平面,並利用土星的引力作用拐向土衛六,從而探測了這顆可能孕育有生命的星球。

1980年11月12日,旅行者1號從距離土星12600千米的地方飛過,一共發回1萬餘幅彩色照片。這次探測不僅證實了土衛十、十一、十二的存在,而且又發現了3顆新的土星小衛星。當它距離土衛六不到5000千米的地方飛過時,首次探測分析了這顆土星的最大衛星的大氣,發現土衛六的大氣中既沒有充足的水蒸氣,其表面也沒有足夠數量的液態水。

1981年8月25日,旅行者2號從距離土星雲頂10100千米的高空飛越,傳回18000多幅土星照片。探測發現,土星表面寒冷多風,北半球高緯度地帶有強大而穩定的風暴,甚至比木星上的風暴更猛。土星也有一個大紅斑,長8000千米,寬6000千米,可能是由于土星大氣中上升氣流重新落入雲層時引起擾動和旋轉而形成的。土星光環中不時也有閃電穿過,其威力超過地球上閃電的幾萬倍乃至幾十萬倍。它再次證實,土星環有7條。土星環是由直徑為幾釐米到幾米的粒子和礫石組成,內環的粒子較小,外環的粒子較大,因粒子密度不同使光環呈現不同顏色。每一條環可細分成上千條大大小小的小環,即使被認為空無一物的卡西尼縫也存在幾條小環,在高解析度的照片中,可以見到F環有5條小環相互纏繞在一起。土星環的整體形狀類似一個巨大的密紋唱片,從土星的雲頂一直延伸到32萬千米遠的地方。

旅行者2號發現了土星的13顆新衛星,使土星的衛星增至23顆。它考察了其中的9顆衛星,發現土衛三表面有一座大的環形山,直徑為400千米,底部向上隆起而呈圓頂狀,還有一條巨大的裂縫,環繞這顆衛星幾乎達3/4周;土衛八的一個半球為暗黑,另一個半球則十分明亮;土衛九的自轉周期隻有9~10小時,與它的公轉周期550天相去甚遠;土衛六的實際直徑為4828千米,而不是原來認為的5800千米,是太陽系行星中的第二大衛星,它有黑暗寒冷的表面、液氮的海洋、暗紅的天空,偶爾灑下幾點夾雜著碳氫化合物的氮雨等,這是人類了解生命起源和各種化學反應的理想之處。

卡西尼—惠更斯號

為了進一步探測土星和揭開土衛六的生命之謎,美國與歐空局聯合研製了價值連城的卡西尼號土星探測器。1997年10月15日這個探測器發射升空,開始為期7年的漫長旅途。它預計2004年飛臨附近空間,開展長達4年的環土星就近探測,並首次實現在土星的最大衛星土衛六上著陸,進行實地考察。卡西尼號直徑約2.7米,總重達6噸,由軌道探測器和著陸器組成。其軌道探測器取名卡西尼號,裝有12種探測儀器;著陸器取名惠更斯號,裝有6台科學儀器。為了加快奔向土星的飛行速度,卡西尼號于1998年4月飛掠金星,獲得第一次加速。隨後它繞太陽公轉一周,于1999年6月再次飛掠金星,獲得第二次加速。同年8月,它在地球附近飛過,獲得第三次加速。

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之後,卡西尼號探測器將于2000年12月飛掠木星,得到最後一次加速。它定于2004年7月飛抵目的地與土星會合,進入環繞土星運行的軌道。同年11月,惠更斯號著陸器將脫離卡西尼號探測器飛向土衛六,穿過其雲層,在土衛六上軟著陸,然後將探測到的資料通過環土飛行的卡西尼號軌道器傳回地球。卡西尼號進入環土星軌道後的任務是:環土星飛行74圈,就地考察土星大氣、大氣環流動態,並多次飛臨土星的多顆衛星,其中飛掠土衛六近旁45次,用雷達透過其雲氣層繪製土衛六表面結構圖,預計可發回近距離探測土星、土星環和土衛家族的圖像50萬幀。惠更斯號將成為第一個在一顆大行星的衛星上著陸的探測器。它將在2.5小時的降落過程中,用所帶儀器分析土衛六的大氣成分,測量風速和探測大氣層內的懸浮粒子,並在著陸後維持工作狀態1小時,揭示土衛六上是否有水冰凍結的海洋和是否存在某種形態的生命。它所收集到的資料和拍攝的圖像通過卡西尼號探測器傳回地球。

卡西尼-惠更斯號已在2004年7月1日到達土星,並且開始使用雷達測量土衛六表面地形的工作;卡西尼探測器在2004年11月26日飛躍到土衛六上方並且拍摂下很多高解析度的土衛六表面圖像,展現了人眼從來沒有見過的明暗斑塊。卡西尼號在2004年12月25日聖誕節釋放出了惠更斯號,惠更斯號在2005年1月14日進入土衛六大氣層進行詳細探測。惠更斯號探測器可在土衛六的大氣中燒毀前將相關資料發回。

惠更斯號探測器在2005年1月14日登入土衛六。

2007年12月,卡西尼軌道探測器在靠近土衛六的第38次飛行中看到“安大略衛星湖”,但當時還不能確認其為液態。

隨著“安大略衛星湖”的突破性發現,專家認為,土衛六其他地區眾多與“安大略衛星湖”相似的“坑”也可能是湖泊。

2009年12月美國宇航局證實,土衛六“泰坦”地表上存在著液體。

“卡西尼號”太空探測器捕捉到由土衛六表面湖泊所反射的太陽光線。這一發現,證實了土衛六表面存在液體的說法。

科學家們由此認為,土衛六表面一些地區應該分布著許多大型湖泊狀盆地,就是在這些地區存在液體。 土衛六是土星最大的衛星,與地球有許多相似之處,也正是這一點引起了科學家們的極大興趣。近20年來,科學家們已經建立了關于土衛六的完整理論。

他們認為,土衛六表面存在液烴(NGLs) 海洋或湖泊。土衛六也被認為是太陽系中除地球之外唯一存在液體的行星狀天體。雖然“卡西尼號”傳回的資料並不能證明其表面存在巨大的海洋,但是它卻明顯透露了這樣一訊息,即土衛六兩極附近地區存在大型湖泊。

自從“卡西尼”號探測器在2004年開始環繞土衛六運轉後,科學家們一直在尋找“鏡面反射”現象。但是,土衛六的北半球一直處在冬季的黑暗之中,而科學家們認為北半球的湖泊比南半球多得多。

一直到2009年8月秋分時節,太陽的光線才逐漸開始直射到土衛六北半球的湖泊之上,此時也正是北半球春天的開始。

由于土衛六上空厚厚的大氣層的幹擾,土衛六表面所反射的太陽光大多數都被遮蔽。“卡西尼號”探測器也是在偶然間拍下了這張罕見的照片。照片拍攝于2009年7月8日。

探測大事件

1655年,荷蘭天文學家克裏斯蒂安·惠更斯用他自製的新望遠鏡對準土星,準備研究土星環,但讓他驚訝的是,在土星的旁邊赫然有一顆巨大的衛星,這就是土衛六——泰坦。

1907年,西班牙天文學家何塞·科馬斯·索拉從望遠鏡中觀測到土衛六的圓面邊界有陰影,指出這是存在大氣的象征。

1944年,荷蘭裔美國天文學家傑拉德·柯伊伯用光譜分析儀觀測,發現土衛六上存在甲烷氣體。

1979年9月1日,先驅者11號從距土星20800千米處掠過土星,拍攝到土星巨大的衛星土衛六的照片。並初步判斷土衛六上的溫度極低,生命幾乎無法生存。

1980年11月12日,旅行者1號從距土星124000千米處飛越土星,九個月後,即1981年8月25日,旅行者2號從距土星100800千米處飛過。這兩個探測器對土衛六的探測結果表明,土衛六大氣的主要成分是氮,其他成分為氬(佔6%)、甲烷(2~3%)、氫(0.6%)。表面大氣壓力為1.5×105帕,不過土衛六表面溫度很低,為 -- 179°C,在距表面45千米高處的對流層頂,溫度更低,為-- 203°C,難以指望孕育生命。

2004年10月26日,卡西尼土星探測器第一次飛越土衛六。

2004年12月13日,卡西尼土星探測器第二次飛越土衛六。

2004年12月24日,卡西尼土星探測器釋放惠更斯子探測器。

2005年1月14日,惠更斯子探測器在土衛六表面降落,向地面觀測站傳回300多幅土衛六照片。

2007年10月~2008年7月間,卡西尼土星探測器在完成其它探測任務的同時,還將10次探測土衛六。

科學研究

土衛六或存在生命

土衛六上存在豐富的有機化合物和氮等元素,與地球早期生命形成時的環境相似。土衛六上的氰和烴在一定情況下可生成腈,再被星球上的水冰水解,生成羧酸和胺類物質,而這兩者還可以生成具有重大意義的氨基酸。不過,土衛六上也存在製約生命存在的重要因素。一是溫度過低,二是尚未發現液態水的存在,三是土衛六沒有磁場保護,所以當它有時運行在土星的磁氣層外時,便直接暴露在太陽風之下,輻射可能使生命無法存在。

發現液體甲烷巨大湖泊

土衛六表面的這個新湖泊覆蓋面積有1.3萬平方英裏(3.4萬平方公裏),它位于土衛六南極位置,具有部分湖泊特征。自從“卡西尼”探測器2004年抵達土星體系,科學家就致力于研究土衛六極地附近甲烷湖泊的特征,該研究證實了大型寒冷的衛星也存在著甲烷雨。

科學家指出,這種新湖泊隻是淺薄的沼澤地,但是觀測資料顯示當暴風雨來到時,湖泊將形成足夠深、奔流向前的液體甲烷。前不久,美國約翰斯-霍普金斯大學套用物理實驗室的行星科學家伊麗莎白-圖特爾說:“土衛六表面的雷暴模型顯示一次暴風雨便可形成數十釐米深的甲烷雨水。”美國宇航局戈達德太空研究協會研究小組成員托尼-德爾傑尼奧(TonyDelGenio)稱,這項研究是證實土衛六表面存在液態甲烷的最直接證據。

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圖特爾說:“人們看到土衛六上空的這種雲層非常類似于地球的雲層,同時人們發現該區域表面有液體洪流的跡象。”德爾傑尼奧補充指出,“卡西尼”探測器科學家在此之前並未註意到這個新湖泊的形成,當時由于科學家們意識到該區域可能出現大雨,便投入更多的精力觀測出現大雨的特征,忽視了土衛六表面形成新湖泊的跡象。

科學家非常興奮這項研究發現揭示了土衛六的氣候特征變化,當2004年“卡西尼”探測器抵達土星體系,正值土衛六南半球處于夏季,北半球處于冬季,暴風雲主要聚集形成于土衛六南極地區。季節正接近于春分,這兒不再有任何南半球暴風。德爾傑尼奧說:“暴風雨主要集中在中緯度地區,偶爾會出現在低緯度地區。”2008年,“卡西尼”探測器已完成了4年勘測任務,計畫延長勘測時間至2010年。該探測器現運行狀況健康正常,任務操作員希望今後進一步延長其工作壽命。

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圖特爾在約翰斯-霍普金斯大學實驗室的同事拉爾夫-羅雷茲(Ralph Lorenz)並未直接涉及這項研究,他指出像這樣的研究將有助于人們理想地球氣候變化的特點。他在一封電子郵件中寫道:“土衛六大氣層擁有大量的甲烷潮濕氣體,因此在度過漫長的幹旱之後會出現強烈的暴風雨天氣。”

相關理論

土衛六即遠古地球

在人們的印象中,火星一直是地外生命存在和人類移民的理想場所。但是,隨著土衛六的面貌逐漸地被揭開,這種觀點漸漸地淡化了。人類研究發現,土衛六就是45億年前的地球。 泰坦具有兩個生命偏愛的特征,那就是沸騰的有機化合物和濃密的有保護性的大氣層。泰坦是太陽系唯一擁有合格大氣層的衛星,也是太陽系4個僅有的有著濃密大氣層的岩石質星球之一,其它幾個分別是地球、火星和金星。在某些方面,泰坦的大氣層最像地球。它的大氣主要由氮氣組成,氣壓略高于地球。它上面甚至有雲,隻是這些雲的成分是甲烷和其它碳氫化合物,而不是水。很多太空生物學家渴望把土衛六大氣作為地球大氣的原型去研究,希望能夠發現地球生命出現前,復雜有機分子是怎樣產生的。

土衛六的橙色天空

從地球上觀測,土衛六被一層濃密的大氣層包裹著,使人不能窺其真容。而據光譜分析,大氣層中有著激烈的化學反應。1月14日,當“惠更斯”探測器在土衛六表面成功登入後,地球人借助“惠更斯”的眼睛,這才真正地目睹了土衛六的部分“容貌”。 登入器在僅有的30分鍾“壽命”中,拍攝了大量圖片,其中一張土衛六地表圖片讓世人震驚———廣闊的平原上,散布著大大小小的石頭和冰狀物體,橙色的天空令人著迷。這是人類首次登入這片神秘的土地,而這裏是否會孕育生命?科學家們充滿期待。

土衛六上有“湖泊”

2005年6月29日,圍繞土星軌道運行的“卡西尼”飛船拍攝到的一張照片再次讓世人震驚。照片顯示,土衛六南極地帶有一處地貌很像湖泊。經過觀測,這處地貌長約234公裏,寬度近73公裏,看起來是一個邊界平滑蜿蜒的暗斑,周圍是淺色的土衛六雲層。美國宇航局下屬噴氣推進實驗室的科學家認為,這很可能就是土衛六表面的甲烷湖泊之一,而甲烷是一個類地生命生成前必須的元素之一。 今後,“卡西尼”將39次飛過土衛六,如果哪次拍攝到這個“暗斑”像鏡面那樣反光,就可以證明它是真正的液態湖泊,如果得到證實,那麽我們有理由相信這裏即將會孕育出新的生命。

土衛六孕育出生命

“地外生命”是否存在?我們的地球探測器每次“出訪”外星球,都是帶著這個疑問去探詢。目前在太陽系中,火星和土衛六是最具存在生命條件的星球,盡管這裏面存在一些想象,但是從此次“卡西尼”的探索成果來看,土衛六的形態和45億年前的地球極其相似。 根據分析,從目前土衛六的活動來看,如果不出現意外,那麽一個新的類地生命將會在15-20億年後出現在土衛六上,人類在太陽系當中將不再孤獨。

比火星更安全

地球不是我們永恆的家園,而我們的生命之源———太陽,也隻剩下50億年的生命。再過50多億年,太陽脫離主序期,那時太陽將會發生很大的變化,太陽將慢慢地膨脹,所有內行星都將被太陽無情地吞沒,更別說地球了,而我們人類,是怎麽樣的命運呢?幸好,我們在21世紀初至少從表面上了解到了土衛六的大體概況,而這些概況,又使我們相信那裏是我們移民的理想地點,比火星強得多。 首先,土衛六上有厚厚的大氣層,這是抵御宇宙任何侵害的最有力的屏障。其次,土衛六遠離太陽,即使是太陽膨脹後,也產生不了影響。另外,原本寒冷的土衛六將被膨脹的太陽的體溫“暖和”到人類可以接受的地步,再加上那時候土衛六上的大氣壓力已基本上適合類地生命生存,這裏將變成人類的又一個家園。以上這些,在火星上是很難辦到的。

湖泊和四季

最新觀測顯示,土衛六表面最大湖泊光滑如鏡,湖泊液體是像蜂蜜一樣稠密的甲烷和乙烷,湖泊表面落差不超過3毫米。

美國斯坦福大學的霍華德-澤伯克爾(Howard Zebker)是該研究小組成員之一,他說:“除非你將混凝土傾註在湖泊中,才能實現真正意義上的平滑,這種類型的湖泊在地球上是不存在的。”天文學家曾懷疑是否土衛六這顆土星最大的衛星是幹燥還是潮濕的,但大量證據顯示該衛星上存在著液態湖泊。

“卡西尼”探測器的雷達裝置于2004年抵達土星區域,在土星極地發現暗色斑塊,由雷達裝置探測到的黑暗區域暗示著該區域非常平滑,暗示著液態湖泊表面非常光滑,難以反射探測信號。

光譜資料顯示土衛六表面清晰可見的湖泊充滿著甲烷和乙烷,在土衛六冰冷的表面甲烷和乙烷可以液態形式存在。澤伯克爾稱,從形態學角度講,它們看上去就像是湖泊。但是之前雷達觀測資料顯示這個清晰湖泊的形成具有一定角度,同時並不可能從湖泊表面反射明亮的雷達閃爍光線,從而顯示該湖泊可能是幹燥河床或充滿煙灰的泥塵底部。

目前,研究人員稱去年12月份卡西尼探測器的雷達裝置對土衛六表面最大的湖泊“安大略湖(Ontario Lacus)”進行了觀測,該湖泊在南極的跨越直徑為235公裏,其雷達反射信號非常強。該項研究負責人斯坦福大學的勞倫-懷伊(Lauren Wye)說:“這就像是你持有一個手電筒,直接對著鏡子進行照射,其直接反射的光線會強烈刺激你的眼睛。”

卡西尼探測器的雷達回波資料顯示在數千平方米的湖泊表面,其表面起伏落差卻不超過3毫米,這比之前所觀測的資料平坦10倍。懷伊告訴《新科學家雜志》說:“真得很難想像即使是固體表面,其表面光滑程度僅在毫米範圍之內,更何況是液態湖泊表面。”

之前的觀測資料顯示該湖泊處于液體狀態,並不是幹燥的泥潭。澤伯克爾說:“如果你走在湖泊旁看到幹燥後的湖泊,那裏的泥水已幹燥蒸發,看上去可能非常平坦,但是幹燥後的泥潭會出現深深的裂縫。我們可以推算土衛六表面的安大略湖可能是我們從未看到過的光滑湖泊。”

泰坦

土衛六表面存在液體的證據增強了土衛六和地球之間的相似性,土衛六是太陽系唯一具有活躍氣候迴圈的星體,其表面的湖泊蒸發液體形成雲層,然後降雨再返回至表面,形成河流和通道。這使得土衛六成為太陽系最佳支持生命體存在的候選者之一。

如果土衛六存在液態湖泊,那麽其表面必然存在著風流。早期的電腦模擬預測土衛六湖泊波浪是地球湖泊波浪的7倍高。澤伯克爾說:“目前的這項最新研究與之前的推測背道而馳,這是一種特殊的湖泊,很可能其表面較為粗糙,但是我們並未觀測到起伏波浪的跡象。雖然我們並不清楚低溫狀態下甲烷和乙烷的物質特徵,但我們推測該湖泊的液體非常稠密,具有一定的黏性,就像是蜂蜜一樣。”

研究人員指出土衛六極地存在著交替的季節,能夠緩和調節惡劣的氣候。但是其季節變更非常慢,土衛六1年的時間相當于地球30年的時間,目前土衛六南極地區正處于夏季向秋季的過渡時期。

美國亞利桑那州立大學的喬納森-盧寧(Jonathan Lunine)說:“這是土衛六極地區域一年時間內處于靜止休眠狀態的階段,總地來講,土衛六表面湖泊充滿液體的證據是確鑿的,我們認為安大略湖充滿著液體。”

澤伯克爾稱,我們下一步還必須深入分析該湖泊的中部,通過一些間接的測量方法和模型進行分析。

存在生命跡象

據美國太空網報道,在過去30年裏,科學家已知道一種叫做索林斯(tholins)的復雜碳化合物存在于彗星和太陽系其他行星的大氣層中,理論上,索林斯可以與水進行叫做水解的化學反應,從而製造出類似于地球早期階段的復雜分子結構。

在地球上,復雜有機分子被認為是生命形式出現的早期階段,比如被稱為生命起源前的混合物。土衛六是土星最大的一顆衛星,它主要是由冰物質構成的。許多冰在隕星碰撞或地下活動中可能融化,生成“冰火山”噴射出糗括混合氨氣和水的“岩漿”。

是否形成于土衛六大氣層中的索林斯通過隕星碰撞或冰火山與液態水臨時性反應,在水凍結之前生成潛在的生命起源前有機分子?直至目前仍沒有科學家可以準確地進行解釋。

目前,美國亞利桑那州大學行星科學系研究生凱瑟琳·尼什在實驗室裏進行了為期多天的研究,她在近冰凍溫度條件下通過水解形成類似索林斯的物質。她將這項研究報告發表在《天體生物學》雜志上。暴露在土衛六上的液態水被認為持續存在數百至數千年,像這樣的固態冰融化成液態水的反應經常發生。很可能類似這樣的反應同樣發生于早期地球。

在實驗室裏,尼什在低溫放電狀態下將5%甲烷和95%氮混合形成類似索林斯的一種有機混合物質,她將這種索林斯樣本融解在水中,然後放置在40攝氏度水環境中避免出現冷凍,進而測量其水解混合的比率。結果顯示,10%索林斯形成了有機混合物,它與水中的氧發生反應,形成了復雜的有機分子。

當尼什的研究報告發表在科學期刊上時,她的理論也遭到了批判。瑞塞勒理工學院研究員教授詹姆士·費裏斯從事土衛六大氣層化學性質研究許多年,他指出尼什的研究存在著“缺陷”,其原因是她使用放電方法形成索林斯,然而土衛六大氣層很可能是通過紫外光線和帶電輻射粒子形成索林斯的。

費裏斯使用紫外光線混合了類似土衛六大氣層中的氣體進行了一項實驗,他說,“放電所形成的物質結構與紫外線光分解不一樣,因此其水解時間也完全不相同。許多光化學進程形成的碳氫化合物並不與水發生反應。”

尼什對此作出反應,她指出,電子或等離子的釋放意味著模擬帶電粒子的互動作用。她贊同費裏斯所說的紫外光線輻射形成索林斯更像土衛六大氣層中的薄霧。但是她認為這樣形成的化合物多數不與水發生反應。

她承認自己的研究工作並不是理想的呈現土衛六大氣層的化學特徵,她說,“形成在低壓狀態下的索林斯要比高壓狀態下更像土衛六薄霧,你可以在低壓狀態使用紫外光線製造索林斯,但不能在低壓狀態下使用等離子釋放製造索林斯。我們實驗所需的大量索林斯必須通過放電技術來製造,通過紫外光線光分解隻能生成一小部分。”

尼什的另一項實驗研究是將在純凈水中進行索林斯水解反應,然而任何形式的水在土衛六上很可能混合了氨,她指出近期將進行另一項採取氨和水混合的完整水解實驗,預計很快將發布實驗結果。

尼什的這項研究並不能完整地表現出土衛六行星的化學性質,該研究表明類似的化學反應在液態水環境中可生成顯著數量的有機混合物。在土衛六表面,生命起源前分子可能存在于碰撞隕坑和冰火山的融化水中,類似這樣的進程很可能發生于地球早期生命孕育階段,那時的早期地球大氣層還未出現顯著數量的氧氣。

宜居星球榜首

行星宜居度指數則考慮一組完全不同的因素,如星球表面究竟是岩質的還是冰凍的、星球是否有大氣層、是否有磁場等。

台北時間11月28日訊息,據國外媒體報道,一支由美國華盛頓州立大學科學家領導的國際研究團隊近日對多個可能宜居的行星和衛星進行綜合評估,設計出行星宜居度指數和地球相似度指數兩大指標體系,對可能存在外星生命的星球進行可能性排序。其中,土星最大衛星土衛六和系外行星Gliese 581g分別位居兩大指標排行之首,被認為是最宜居的外星世界。

研究團隊的科學家們設計出兩種評估指標體系對宜居星球進行綜合評估,兩類指標體系分別為行星宜居度指數和地球相似度指數。根據科學家們的評估結果,土星最大衛星土衛六和系外行星Gliese 581g分別位居兩大指標排行之首,被認為是最宜居的外星世界。系外行星Gliese 581g位于天秤座內,距離地球大約20.5光年。科學家們的研究成果發表于《天體生物學》雜志之上。

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