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泰坦:太阳系最有可能存在地外生命的星球

时间:2021-05-13 23:41:54

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泰坦:太阳系最有可能存在地外生命的星球

液态雨水降落到卫星表面然后蒸发,形成了一个复杂的天气系统

与,美国宇航局(NASA)的卡西尼号探测器在泰坦的一处碳氢化合物海洋——蓬加海的表面,发现了几处不同寻常的太阳反光,这些反光可能来自于正在“扰乱”平静海洋的不超过2公分高的小波纹。Barnes在3月17日召开的月球与行星科学大会上公布了这一发现,而同时发表的另一份报告则暗示在泰坦的其他海洋中也存在波浪。在以往多次飞越泰坦的过程中,卡西尼号探测器曾发现了由甲烷、乙烷及其他碳氢化合物构成的小型湖泊及大型海洋。液态雨水降落到卫星表面然后蒸发,形成了一个复杂的天气系统,据推测,可能包含有风的模式。但之前的探测从未发现风在泰坦海洋表面吹起的涟漪。它们通常就像玻璃一样光滑。这或许缘于液态碳氢化合物比水更有黏性,因此更难移动,又或许因为泰坦上的风太小了不足以吹动液体产生波纹。,Lorenz和其他科学家提出,随着春季的到来,泰坦上的风力将越来越强,从而使科学家更有望发现波浪的存在。土星及其卫星围绕太阳旋转一周大约需要29个地球年。

安装在卡西尼号探测器上的一部分光计在与数次飞越泰坦的过程中拍摄了蓬加海的图像。这些图像显示,阳光在海洋的表面闪烁,就像黄昏时刻在地球上看到一架飞机从湖面上低空掠过时产生的景象一样。对海浪高度进行的计算表明,它们只有微不足道的几公分高。Barnes说:“现在还不要急着想到泰坦上去冲浪。”搞清这些波浪是如何形成的将有助于科学家更好地了解泰坦的湖泊及海洋的物理状态。一项NASA的任务提案——如今已被重返火星的提案所击败——曾设想让一架探测器漂浮在泰坦的湖泊中。而在这次会议上发表的另一项研究结果也暗示了泰坦存在波浪的可能性。去年夏季,卡西尼科学家发现,在另一片海洋——丽姬亚海中的一个所谓的“魔幻岛”在出现后又随即消失了。在排除了一些相关的可能性后,例如一座岛屿随着海平面的变化而露头,研究人员推断,“魔幻岛”很可能是一组海浪。

土卫六“泰坦”是潜在的宜居星球

一个国际科学家小组评选出哪些卫星和行星最有可能存在地外生命。这些最适于居住的地外星球包括土卫六“泰坦”和系外行星Gliese 581g,后者位于天秤座,距地球大约20.5光年。在所发表的研究论文中,研究人员提出了两个不同的指数,一个是与地球相似度指数,一个是行星适居性指数。与地球相似度指数用于评比行星和卫星与地球的相似程度,评比时参考体积、密度、与母星之间的距离等因素。行星适居性指数关注的则是其他一系列因素,例如是否拥有多岩或者冰冻地表,是否拥有大气层或者磁场。此外,这一指数还关注任何生物体能获取的能量,或者通过母星的光照,或者通过所谓的潮汐扰动过程。最后,行星适居性指数还要考虑是否存在有机化合物,至关重要的化学反应能否获得液态溶剂支持等。

泰坦似乎被包裹在几十公里厚的硬冰壳内——也许太过坚硬,以至于不能使岩浆从深处冒出来。

与地球相似度指数的评比中,得分最高的是Gliese 581g(一些天文学家对其是否存在尚存在分歧),得分为0.89。天文学家对Gliese 581系统进行了深入研究。这个系统由4颗,也可能是5颗行星环绕一颗红矮星构成。此外,系外行星HD 69830 d的得分也相对较高,为0.60。这颗行星体积与天王星相当,位于船尾座。据信,HD 69830 d位于所谓的“金发区”,这一区域与母星不远不近,表面温度既不太高,也不太低。行星适居性指数的评比结果和与地球相似度指数截然不同,得分最高的是土卫六“泰坦”,适居性指数达到0.64。巨大的、被阴霾笼罩的土卫六(泰坦)上是否有生命存在呢?许多行星地质专家认为是有生命的。卡西尼宇宙飞船上的雷达图像显示,泰坦上看起来像火山似的东西会喷涌出冰冷的“岩浆”,并将甲烷送入大气层中。不过其他的卡西尼数据令一些行星物理学家有不同的看法。他们发表报告称,泰坦似乎被包裹在几十公里厚的硬冰壳内——也许太过坚硬,以至于不能使岩浆从深处冒出来。如果这种看法是正确的,那么所谓的“火山”将完全是另外的东西,而且泰坦在地质学上是死的,其大气中的甲烷——分割峡谷和填充湖泊的雨水的来源——可能正在减少。泰坦也许即将枯竭。

卡西尼宇宙飞船自开始绕土星运行,已经多次飞至泰坦附近。曾有很多次,研究人员监测到卡西尼发生多普勒偏移(泰坦巨大的引力场加速飞船偏离其预期轨道)的无线电信号频率。为判断泰坦的地形,研究人员将卡西尼的雷达作为高度计,通过重叠雷达图像获得其高度信息。当将数据结合起来分析时,研究人员发现在有高地形的地方,其地心引力就会低于周围环境。反之亦然,在低地形的地方,地心引力就会很高。冰层堆积很高的地方本应该有更强的地心引力,而不是更弱。在高地形的下面,冰延伸到被认为位于泰坦外层冰下面的海水中。由于冰的密度比水小,凸起的冰柱会减小地心引力,尽管其位于高地形处。不过该团队认为,如果真是如此,冰层必须足够坚硬和厚实,以使冰层上的冰柱不会更高,从而形成更多的表面凹凸。因此该团队的结论称,泰坦的冰壳从表面一直到至少40公里深处都十分坚硬。

卡西尼的任务计划将进行至,但是它也许不会解决这场争论

然而照片是不会撒谎的,卡西尼雷达图像上呈现的索特拉光斑“是一个冰火山”,“它有着火山能够进行的一切活动”。其高峰处有一个像火山喷口一样的中央下陷,并被那些看起来像从火山口流出的沉积物所包围。这些从泰坦上的火山中流出的充满甲烷的岩浆,可以解释该卫星的大气如何在太阳紫外线不断破坏它的情况下仍富含甲烷。若没有火山活动,这些甲烷可能是泰坦中年时大气中出现的一次性添加,最终将会消失。当然,行星物理学家可能是错误的,美国帕萨迪纳市加州理工学院的行星物理学家David Stevenson指出,地心引力和地形数据有“相当大的不确定性”。“这是对它们进行的最简单的解释,它可能是对的,但我感到有些不安。”索特拉光斑是唯一一个地质学家很确定的冰火山。在泰坦的所有信息中,我们都同意索特拉光斑是一个冰火山。卡西尼的任务计划将进行至,但是它也许不会解决这场争论。Stevenson称,之后并没有足够的近距离飞行来显著改善对泰坦地心引力的测绘。不过地质学家即将开始对泰坦巨大、平坦的平原进行近距离观察,这些平原或许是那些流动性过强而不足以形成火山口的岩浆在冰冻后形成的。如果详细的观察显示这些平原是有火山特性的,那么泰坦可能又会被重新认为是有生命的,惠更斯号在降落的过程中,对土卫六地表拍摄的照片,与地球上河川的形貌十分相似。

土卫六的探索历程

平安夜那天,在距离我们12亿公里之外,欧洲太空总署(ESA)的惠更斯号探测器脱离了共同航行七年的卡西尼号太空船,独自落入土卫六(Titan)的浓密大气裡。1月14日,在众多天文学家的欢呼声中,惠更斯号传回了成功降落的讯息。这是除了月球之外,人类的仪器首度登上卫星。土卫六是浩瀚太阳系中目前所知唯一具有浓密大气的卫星,自从1655年3月25日荷兰天文学家惠更斯(Christiaan Huygens)发现它后,其神秘的面貌便一直隐蔽在浓厚的大气底下。终于在350年后的今天,我们已经可以靠近点仔细瞧瞧了。

当惠更斯号降落地表,探测器底部的阻力钻测计(penetrometer)测量撞击的力量及阻力,发现降落处的地质就像潮湿的沙地

在惠更斯号坠入大气的过程,直到距地表约20公里高处,才脱离由有机分子形成的雾霾层。这是之前观测所发现的存在大气上方的一层雾状构造,厚度竟向下延伸达200公里之多。也就在约20公里高处,惠更斯号所负载的气相层析质谱分析仪(GCMS)探测到甲烷浓度突然提高,研究人员据此研判大气中有甲烷云存在,甲烷云是因甲烷凝结在碳水化合物微粒上而形成。随著逐渐降落,惠更斯号也拍摄了地表的照片,照片中可见许多树枝状分佈的弯曲沟渠,由较明亮的高处向低处蜿蜒,简直就像地球上河流的航照图。当惠更斯号降落地表,探测器底部的阻力钻测计(penetrometer)测量撞击的力量及阻力,发现降落处的地质就像潮湿的沙地。接著,在降落后的三分钟内,惠更斯号还量测到甲烷浓度提高了30%,很可能是惠更斯号底部的高温,造成周遭液态碳水化合物蒸发所致。

另一方面,不同于惠更斯号的直接降落观测,卡西尼号一直持续著它环绕土星系统的旅程,并且在多次近距离靠近土卫六时,拍摄到许多更为全面的景观。在3月10日的《自然》中,卡西尼研究团队分析了多幅由科学成像系统(ISS)所拍摄的影像,ISS运用不易为甲烷吸收的红外线观测,因此得以一窥土卫六面貌。除了目前不受阳光照射的北极地区以外,ISS得到的反照率分佈图几乎涵盖了整个土卫六地表,可供分析较细微的构造及大气的分层结构。研究人员研判,ISS影像中反照率的不同,是由沉淀物质所造成,例如阴暗处表示有较多碳水化合物堆积,而明亮处则主要为水冰。阴暗处可能是甲烷雨的冲刷,使碳水化合物逐渐堆积在凹陷的区域,而惠更斯号在降落处的观测情形,也证实了较阴暗处地势较低的看法。在土卫六的平流层外,有层薄雾环绕,经分析认为这就是航行者一号、二号探测船所曾观测到分离的雾霾层,但现在的高度(500公里)比航行者发现时高了150~200公里,因此霾雾的产生或循环强度可能是有季节性的。

土卫六的云主要分佈在南极上空,在卡西尼号不同时间的观测中,这些云呈现出不同的形态

在ISS影像中,也可以看出弯曲的河道构造。而有些呈笔直延伸的大尺度暗线,可能是如断层般的地质现象。此外还有几个陨石坑般的构造,虽然大气可以阻挡陨石撞击,但以土卫六形成的历史看来,在地表上看到的陨石坑数量还是太少,可见它曾经历过风蚀、河水侵蚀搬运或火山等地质作用而使地貌重塑。在极区与赤道区,地貌则有明显的差异,可能是季节变换下日积月累的结果。例如,在高纬度地区,河流较宽、较深且长,可能是因为极区降雨较多的关系(南极上空有较多的云层)。ISS也针对土卫六的大气结构做了详尽的分析。土卫六的云主要分佈在南极上空,在卡西尼号不同时间的观测中,这些云呈现出不同的形态,显示有积云对流的现象;其次是中纬度地区的云,有些呈东西方向拉长,数量较少,但在短时间内即有明显的变化,由此测量低层大气的风速,发现风是由西向东吹,且在南纬约38度的风速最高,大约是每秒34公尺,相当于地球上的12级风(飓风),比土卫六本身的自转速度还快,首度证实了土卫六对流层的超回转现象(super-rotation)。

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