科學也可以如此靠近

走呀,去木星上看看?萬一可以住人呢


中信出版集團年之後的人們也許會提出這樣的問題:為何天體生物學家們在尋找太陽系中的生命時,會從塵土瀰漫、死氣沉沉的火星開始,而不是首先將目光投向被木星和土星那些冰封衛星包裹起來的液態鹹水海洋?確實,你並不是唯一持有這種看法的人。眾多行星科學家,多年來一直為類木行...

- 2018年10月09日09時51分
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100年之後的人們也許會提出這樣的問題:

為何天體生物學家們在尋找太陽系中的生命時,會從塵土瀰漫、死氣沉沉的火星開始,而不是首先將目光投向被木星和土星那些冰封衛星包裹起來的液態鹹水海洋?

確實,你並不是唯一持有這種看法的人。眾多行星科學家,多年來一直為類木行星的衛星的宜居性聲辯!

伽利略的衛星

無論偉大還是平凡,對於一名夜空觀察者而言,目睹木星這顆巨大行星在太陽系外圍的莊嚴運行都是最令人心馳神往的天文體驗之一。

如果天空夠黑,時機也夠幸運,即便是一架小望遠鏡也能讓我們看到四顆連成一線的暗淡伴星陪伴在木星周圍。

它們就是伽利略在1610年1月首次看到的那些星球。伽利略的望遠鏡功能不夠強大,除了這四顆衛星的位置之外無法顯示更多。然而,在兩個月的仔細觀察中,伽利略注意到了它們圍繞木星的環形運動。

1610年4月,伽利略在他的《星空信使》中發表了一個驚人的結論:

木星擁有4顆衛星。這些衛星宿命般的大膽出現對傳統的天文學(以及神學)教條構成了挑戰—它們將木星而不是地球奉為它們的公轉軸心。根據其美第奇家族資助人的名字,伽利略將這些新衛星命名為「科西莫星」,但這個命名的流傳卻不如開普勒所提議的「艾歐」「歐羅巴」

「蓋尼米德」和「卡里斯托」那樣長久。儘管如此,這四個新世界依然註定會在未來的科學和想像中扮演重要的角色。

探測器拍攝的圖像顯示:「艾歐」是一個年輕而活躍的火山世界,其岩質表面為富硫的熔岩原所覆蓋。

我們第一次看到了火山噴出物形成的煙柱在太空背景下的輪廓,這是地球之外存在活躍火山的證據。

與艾歐這個熾熱的大熔爐相較,歐羅巴則完全是另一個世界,其表面光潔無瑕,閃耀著水冰那種寒冷刺目的光澤,並包裹著一個不為人所見的岩質內核。在歐羅巴的軌道之外是蓋尼米德和卡里斯托—木星衛星系統中的兩個巨無霸。蓋尼米德是太陽系中最大的衛星,尺寸比身為行星的水星還大一點。

不過有趣的是,蓋尼米德由冰和岩石混合組成,所以質量還不足水星的50%。卡里斯托往往被不公平地稱為伽利略衛星中的「無趣之星」,其尺寸和質量都比蓋尼米德稍小,隕石坑數量略多,表面重構的證據則略少。

它很符合我們關於木星衛星系統的觀念:

距離木星越遠,衛星的活躍程度就越低,其上的環境也越平靜。

「伽利略號」進入木星軌道

1989年,一個以太陽系外圍為目標的大膽新計劃啟動了。

「伽利略號」將先在太陽系內圈區域沿著漫長而往復的軌跡飛行6年以累積引力能量,然後在前往目的地途中一舉突破小行星帶,最終成為第一個進入木星軌道的探測器。

12月8日,「伽利略號」進入木星軌道。儘管「伽利略號」是一個木星軌道器,但艾歐、歐羅巴、蓋尼米德和卡里斯托也近在咫尺,讓它有機會多次飛掠這些伽利略衛星。

在「伽利略號」為期8年的木星任務中,它完成了對木星的35次環繞,與歐羅巴相遇11次。

出人意料的是,木星的磁場竟然在各個伽利略衛星身上「製造」(更準確的說法是「感應產生」)出了新的磁場。

其中最令人吃驚的案例是歐羅巴。儘管歐羅巴作為一顆衛星來說算是比較大的(比地球的衛星月球稍小一些),但它形成時期的熱量早已冷卻殆盡,只留下一個固態的岩質核心。

「伽利略號」的發現既匪夷所思,也頗有優雅之美:

歐羅巴竟然擁有一個微弱的磁場。顯然,這個磁場是由木星感應產生,而非歐羅巴自己產生。

這是因為以下幾個事實:

1. 歐羅巴磁場的自轉周期為11個小時,歐羅巴自身的自轉周期為3.55天,木星的自轉周期為11個小時。所以很明顯木星才是歐羅巴磁場背後的驅動力量。

2. 要在歐羅巴這樣的衛星中感應出磁場,需要一個全衛星範圍的導體。就行星而言,傳導電子的能力來自某種液態金屬核心,但歐羅巴對木星磁場如此敏感,它上面的導體又是什麼呢?答案是:液態水。

科學家們從歐羅巴的光潔外殼上找到了第一條線索,開始思索是否有隱藏的液態水在歐羅巴表面地質結構的塑造中扮演著重要角色。

「伽利略號」上磁強計的測量數據向科學家們提供了前所未有的視野,令他們的目光穿透那層冰封的外殼,在歐羅巴表面之下找到了一個遍布整個星球、深達約100千米的海洋!

這還不算完。科學家們知道純水並非是電的良導體,因此這個海洋必然有某種水平的鹽度,才能產生我們觀測到的那個磁場。鹽度具體是多少則可能取決於造成這種鹽度的究竟是哪些礦物質。

不過我們有足夠的理由相信歐羅巴海洋的鹽度至少與地球海洋相同,甚至可能更高。

那麼,歐羅巴上到底有多少水呢?

如果這個海洋的深度確如「伽利略號」的磁強計測量數據所示,那麼其總水量大約將為地球總水量的兩倍。

這是一個驚人的發現:這顆衛星比地球的衛星月球還略小,擁有的液態水卻超過我們的整個行星。歐羅巴這顆冰封的衛星,再加上它那些圍繞木星和土星運轉的表親,擁有太陽系中大部分的液態水。

別忘了,在「普通」氣壓下,液態水的存在要求溫度位於273K到373K之間(即0攝氏度到100攝氏度之間)。

在太陽系外圍的極寒之地,產生這種溫度的能量來自何處?

潮汐、諧振、能量。

在這個時代,我們理所當然地關注如何利用可再生能源。

那麼,你是否思考過潮汐能量從何而來?

我們之所以會看到海洋潮汐,是因為太陽和月球對地球產生的共同引力在地球面對它們的一側比在地球背向它們的一側略大。這種差異反過來又輕微改變了地球的形狀,將其從圓球形變成了橄欖球形。

地球上的海洋比岩石更有流動性,因此變形的程度又略微高出一點。海洋的上涌或多或少總是沿著日月引力合力的方向,因此,當地球的自轉將我們帶到近側和遠側的海洋上涌區域下方時,我們就能看到高潮,每天兩次。

導致海洋形成這種潮汐涌動的能量來自引力,來自地球環繞太陽進行的公轉和月球環繞地球進行的公轉。

其結果之一是:隨著時間的推移,地球和月球的公轉半徑以緩慢得幾難覺察的速度變大。因此,你在家中使用的電能,還有你家鄉的潮汐壩生產出的電能(假如你住在法國的朗斯河口這樣的地方),歸根結底都取自地球與月球的公轉能量。

地球上看到的潮汐效應改變了地球的自轉和月球的公轉,而同樣的事情也發生在木星身上:木星的自轉較其本應有的水平要慢,而木星系統內圈衛星的公轉半徑也隨著時間的推移(以極為緩慢的速度)變大。

這些能量又到哪裡去了?

答案是:它們被轉移到了每個衛星的內部,形成巨大的熱源。每一天,艾歐表面的每一平方米都產生出相當於美國黃石國家公園水平的熱量,整個衛星就是一座火山。

然而,既然潮汐熱能可以在艾歐上造成劇烈的火山活動,它是否也能在歐羅巴上產生類似但更溫和的效果呢?歐羅巴的海洋之下是否存在著由木星引力驅動的火山?

如果有的話,這對生命在這顆遙遠衛星上存在的可能性又意味著什麼?

苦苦尋找到的深海熱泉

1977年2月15日夜晚,乘坐科考船「諾爾號」(Knorr)的科學家們正航行在太平洋上,位置大致處於厄瓜多海岸與加拉帕戈斯群島的中間。

他們馬上就要取得有關地球生命的最重要的發現之一。在他們下方2.5千米深處,無人深海探測器ANGUS正位於海底表面上方,在小心的拖曳下移動。

這天晚上身在船上的地質學家和海洋學家們很清楚他們要找的是什麼:

一個深海熱泉。這裡的海水在地殼中循環流動,被地殼下方的地幔加熱,然後被擠出海底地表,形成超高溫的水柱。

儘管人們長久以來一直懷疑這類熱泉與火山活躍的大洋中脊有關,卻只找到過一些關於它們存在的間接證據。當天深夜,監視探測器的科學家注意到深淵中出現了一個異常而顯著的溫度峰值。

晨曦初現之際,人們已經費力地將ANGUS拖出水面,並將它在16千米的夜航中拍攝的3000張照片洗了出來,加以研究。

資深海洋學家鮑勃·巴拉德(Bob Ballard)在當時寫就的一篇文章中講述了這個故事:

出現溫度異常之前的幾秒鐘,照片上還只有一片荒蕪而年輕的熔岩原,但在接下來的13幀(正好拍攝於溫度異常的那段時間)照片中,熔岩流被成百上千的白蛤和棕貽貝所覆蓋。

我們此前從未在深海中見到這樣高密度的累積。這一現象在一團渾濁的藍水裡迅速出現,然後又從視野中消失。剩下的1500張照片上,海底再次變成了生命的荒漠。」

在接下來的兩天裡,科學團隊的成員們爭相要求擠上遠征隊攜帶的深潛器「阿爾文號」,以親眼見證這一場景。

湍急的渾濁熱流帶著氣泡,從破碎海床上的裂口中湧出地表,散布在這些水流中的,是超出人們想像的大量深海生物。

考察隊的成員霍爾格·揚納施(Holger Jannasch)是首先意識到問題關鍵的科學家之一:「我們被這種想法及其預示的重大意義震驚。

在我們這顆行星上,生命的運行普遍受到太陽能的推動,然而在這裡,太陽能似乎在很大程度上被地熱能取代了,綠色植物的角色也被化能無機自營養細菌(chemolithoautotrophic bacteria)所取代。

這是一個震撼性的新觀念,在我看來還是20世紀最重大的生物學發現之一。

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編輯:Yoyo 責編:YQ

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