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火星之后,去木星地盤上找生命?
火星之后,去木星地盤上找生命?
血花刀剪      阅读简体中文版


木星的四顆“伽利略衛星”,從左到右分別為木衛一、木衛二、木衛三、木衛四

北京時間8月6日,耗資25億美元的美國“好奇號”探測器成功降落火星,對這顆紅色星球是否適宜生命存活展開了新一輪的探索。
不過在太陽系中,火星并非尋找地外生命的唯一希望。綜合考慮生命生存所需的基本元素、熱量、液態水,以及相對穩定的環境等條件,更遙遠的木星軌道上還有其他有力候選者。
1610年,天文學先驅伽利略用自制望遠鏡發現了木星的四顆衛星,這也是人類首次得知除地球外的其他行星也有“月亮”。四百年來,已有66顆木星衛星被發現,四顆伽利略衛星在其中依然鶴立雞群,也都是整個太陽系里數得著的大衛星。
當然,木星自己更是太陽系行星中的巨人,體積足有地球的1321倍,質量是其他七大行星總和的2.5倍還多。在拉丁文與英文中,木星被稱為“朱庇特”,即希臘神話中眾神之王宙斯的羅馬名字。現實中,木星與其衛星則構成了一個獨特的系統,被天文學家譽為“小太陽系”。宙斯是個風流倜儻、艷遇無數的神,四顆伽利略衛星也都以和他“有染”的美人命名。
上世紀70年代以來,共有6個探測器到達過木星軌道,尤其是美國“伽利略號”從1995年起連續工作了8年,今天人類對“四大美人”的了解主要來自于它。其中三顆具有豐富的液態水,也尤為吸引天文學家的目光。


木衛二:冰海公主


木衛二表面模擬圖,有觀點認為地球上的南極冰湖可能與之相近,但寒冷程度遠遠不如

木衛二芳名“歐羅巴”(Europa),即希臘神話中被宙斯誘拐的腓尼基公主,今天歐洲大陸的名字就源自這段傳說。它也是目前除火星外,太陽系中存在地外生命呼聲最高的一顆星球。
木衛二是四顆伽利略衛星中最小的,直徑3121千米與月球相仿,外表卻迥然不同。木衛二的表面有數量眾多、不斷變化的裂縫,不過總體上仍非常光滑、明亮,既缺乏隕石撞出的環形山,也沒有內部地質運動產生的火山。這暗示著,它的表面并不是陸地,而是厚厚的冰層。
像地球一樣,木衛二也分為核、幔、殼三層結構。今年年初,中國科學院紫金山天文臺研究員季江徽的研究團隊根據“伽利略”探測器的數據,分析木衛二的引力場后認為,其最外部的海洋和冰層共166公里厚,質量則占到整顆星球的10%。也就是說,木衛二上的水總量多達4.8億億噸,是地球的3倍以上!再加上木衛三和木衛四,人類未來考察木星系時,恐怕最不缺的就是水了。
遠離太陽的木衛二寒冷無比,表面平均只有約零下170攝氏度,液態水是如何形成的呢?這要歸功于木星強大的引力場,它產生的潮汐力可以成為木衛二內部的熱量來源,同時在表面冰層“撕”出裂縫,乃至形成噴發的“冰火山”。再加上木衛二內核可能也有放射性元素衰變釋放熱量,從而能在地幔與冰層之間維持一個液態水世界,為生命誕生提供條件。
近幾十年來,科學家在地球深海海底發現了一種無需陽光的生態系統——熱液噴口,各種微生物和魚、蝦、蟹、蠕蟲等完全依靠地球內部釋放出的熱量和養分,食物鏈低端的部分細菌甚至無需氧氣。科學家認為,木衛二海底也可能存在類似的熱液噴口生態。


木衛三與木衛四:迥異“雙胞胎”

四顆伽利略衛星的剖面顯示圖,可見木衛四(右下)是其中惟一沒有明顯核、幔、殼分層的

木衛三“甘尼米德”(Ganymede)以被宙斯擄走、后成為眾神侍者的美少年命名(就是十二星座中的水瓶座,也是伽利略衛星中唯一以男性命名的),以5268千米的直徑成為太陽系中最大的衛星,也超過水星;木衛四“卡利斯托”(Callisto)則是一名被宙斯強暴的仙女,后被嫉妒的天后赫拉變為一只熊,也就是大熊座,直徑約4821千米。
這兩顆衛星大小相近,都由水冰與巖石構成,都可能有液態水構成的地下海洋,以及稀薄的大氣,但除此之外差異明顯:木衛三地貌更年輕,內核和地幔分層清晰,而且是太陽系中唯一有磁場的衛星。木衛四的表面則像月球一樣密密麻麻遍布隕石坑,內部也是亂七八糟混雜一團。
今年1月發表在《自然》上的一項研究認為,這兩顆衛星在成長中分道揚鑣,是因為木衛三“挨打”更多——木星的質量大、引力大,能像吸塵器一樣吸引來自太陽系邊緣的彗星撞擊自己,其中一部分彗星也會撞在衛星上。木衛三離木星較近,受撞擊的概率更高,彗星撞擊時的動能也更大,于是被“修理”出了一個由放射性物質組成、更活躍并能散發熱量的內核。
正是因為內部熱量較多,科學家認為木衛三上存在生命的希望更大一些。不過“伽利略號”的觀測表明,覆蓋其地下海洋的冰層可能比木衛二還厚,達200千米,是地球南極冰蓋平均厚度的80多倍。
木衛四也有自己的長處:它離木星比其他三顆更遠,受到的輻射較少,引力也最低,因此被視為未來人類開發木星系統的最佳基地。

木衛一:狂暴星球


遍布火山與熔巖,木衛一的尊容或許難稱美觀

木衛一是離木星最近的伽利略衛星,直徑3630公里,略大于月球,其名“伊娥”(Io)是一位河神的女兒。宙斯占有她后為欺騙赫拉而把她變為小母牛,但赫拉仍對她百般折磨,一直追到埃及才讓她恢復人形。直到20世紀末科學家才知道,以如此柔順可憐的女子命名的木衛一,卻是太陽系行星和衛星中最“狂暴”的。
1970年代初,美國“旅行者號”探測器傳回資料顯示,木衛一表面至少有數百個火山口,其中一些仍然活躍,噴發出硫磺、二氧化硫和硅酸鹽等物質,噴發物可高達500千米,落地后形成了紅、黑、白等斑斕色彩。數千米高的火山,熾熱的硫湖,數百千米長的熔巖流,迄今仍不斷改變著木衛一的面貌。
與太陽系的其他衛星相比,木衛一的內部成分與地球最為接近。但其火山的主要能量并非來自內部,而是因為這顆衛星的軌道非常特殊,能與木衛二、木衛三發生共振,同時還受到木星的巨大潮汐力影響,星體不斷發生劇烈的扭動、變形,從而產生強烈的地質活動。
活躍的火山、硅酸鹽為主的巖石、外加稀薄的大氣層,這些都與地球形成初期的情況非常相似,只是由于過度蒸發而只有極少的液態水。加之木衛一的星體表面和大氣層完全處于木星的強烈磁場“蹂躪”之下,輻射水平非常高,因此目前認為木衛一基本不適合生命存活。


“探木”難度遠超“探火”幾個數量級


太陽系的第二大衛星——土衛六“泰坦”,也是可能存在地外生命的熱門,甚至被認為很像地球。它有氮和甲烷組成的稠密大氣層,可以形成風云雷電;地面則有山脈、沙丘,以及甲烷和乙烷構成的液態湖泊。雖然沒在表面找到水,但近期一項研究表明它可能也在地下擁有一個液態海洋。圖為土衛六的合成照片。
除了土衛六,土星的另一顆衛星土衛二“恩克拉多斯”近年也被發現有火山和液態水,引起了科學家們的關注。不過,土星比木星還要遠離太陽系中心,除了2005年起工作至今的卡西尼號探測器,目前各國都沒有新的土星系探測計劃。

其實,尋找地外生命,首先是尋找“適合生命存在”的宜居行星,對此目前還是以地球生命的生存條件為評判標準。與迄今仍未證實有液態水的火星相比,伽利略衛星尤其是木衛二在這方面具有優勢,可能有類似地球深海海底的生態環境,但前往木衛二尋找生命的難度要高出幾個數量級。
首先是木星屬于外行星,距離地球遠得多,比如去年升空的美國“朱諾號”探測器,要花5年時間才能抵達木星軌道。遠離太陽,對太陽能電池的工作效率是嚴峻考驗,而核動力電池體積又較大;此外木星還有強大的磁場和輻射,會影響電子設備的運轉。迄今為止,“伽利略號”是人類惟一曾在木星軌道上進行長期工作的探測器,在它2003年“壽終正寢”后一直處于空白期。
其次是在登陸衛星表面后,探測器先要鉆透厚達數十、上百千米的冰層,再潛入近乎一無所知的冰下海洋,在地球南極大陸鉆幾千米的冰蓋都并非易事,而在太空中跋涉數年到達遙遠的外星球,用體積、重量嚴格受限的探測器完成這些工作,難度可以想見。還有就是必須確保探測器不能攜帶任何地球上的微生物,以防造成污染。為應對可能的突發情況,探測器最好還得有較強的人工智能水平,能夠“自己作主”完成導航、取樣、返回和躲避危險……因為信號以光速在地球與木星軌道傳遞一趟,至少也要半小時以上。
目前,除了以探測木星本身為主的“朱諾號”,歐洲也在進行用于研究木星系衛星的JUICE計劃,準備在2022年發射探測器,它們仍將是在太空軌道上工作。至于如何在衛星表面著陸并鉆探、取樣,僅有一些理論上的設想,憑現有的科技水平還難以實現。實際上,至今為止就連木衛二、木衛三表面的清晰圖像都還沒有獲得,即便現在就能造出能用的探測器,也無法確認這兩顆星球是否具備探測器著陸的條件。至少在本世紀中期以前,人類恐怕還無法窺進這些遙遠的外星地下海洋。


(本文得到了中國科學院紫金山天文臺研究員季江徽的幫助,在此表示感謝!同時發表于中國科技網http://www.stdaily.com/special/node_9889.htm

2014-07-14 00:10

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