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新研究表明:土卫二有数十亿年的内海洋

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bdrmo 发表于 2017-12-10 19:59:26 | 显示全部楼层 |阅读模式
当卡西尼号探测器于2004年到达土星系统时,它在恩克拉多斯(土卫二)的南半球发现了一些意想不到的事情。从极地地区的数百个裂缝中,发现了大量的水和有机分子。这是第一个迹象表明,土星的卫星可能有一个内部海洋,由靠近核心-地幔边界的水热活动引起。
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剖面图显示土卫二的内部。图片:NASA


根据卡西尼号在9月15日坠毁于土星大气层之前得到的一项新的研究,这项研究可能已经进行了一段时间了。事实上,研究小组的结论是,如果卫星的核心足够多孔,那么它可能产生足够的热量来维持一个内陆海洋数十亿年。这项研究是迄今为止最令人鼓舞的迹象,表明土卫二的内部可以维持生命。

这项名为“在恩克拉多斯内部进行长期的水热活动”的研究最近发表在《自然天文学》杂志上。这项研究由南特大学行星和地球动力学实验室的研究员Gael Choblet带领,包括美国宇航局喷气推进实验室、查尔斯大学、地球科学研究所以及海德堡大学地球科学与地球化学实验室的成员。
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在土卫二的海底和海底可能发生的水热活动的概念图。图片:NASA/JPL

在卡西尼号任务之前,科学家们相信月球表面是由固体冰组成的。只是在注意到羽流活动之后,才意识到它的水柱一直延伸到内部的暖水海洋。从卡西尼号获得的数据来看,科学家们甚至能够对这片海洋的位置进行有根据的猜测。

土卫二是一个相对较小的卫星,直径约500公里(311英里)。根据卡西尼号的重力测量,它的内部海洋被认为位于20到25公里(12.4到15.5英里)的冰层下的表面之下。然而在南极地地区,这种冰层变薄到大约1到5公里(0.6到3.1米),在那里,水和冰颗粒喷射穿过裂缝。

根据Enceladus环绕土星轨道的方式(又称“摇摆”)。科学家们已经能够估计出海洋的深度,它们在26到31公里(16到19英里)之间。所有这些都围绕着一个核心,它被认为是由硅酸盐矿物和金属组成的,但也是多孔的。尽管有这些发现,室内热的来源仍是一个悬而未决的问题。

当月球在数十亿年前形成时,这个机制必须是活跃的,而且今天仍然活跃(正如目前的羽流活动所证明的那样)。正如Choblet博士在ESA的一份声明中解释的那样:恩克拉多斯得到的持续动力一直都是一个谜,但我们现在更详细地考虑了月球岩石内核的结构和构成如何在产生所需能量方面发挥关键作用。
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美国国家航空航天局的卡西尼号宇宙飞船和深空网络的重力测量表明,土星的卫星Enceladus,它的南极有水汽和冰喷出,也有一个巨大的内部海洋在冰壳下。图片:NASA/JPL-Caltech

多年来,科学家们推测,由土星的引力作用引起的潮汐力是Enceladus内部加热的原因。土星在绕着地球旋转的过程中,也被认为是土卫二的冰壳变形的原因,导致了南极地区周围的裂缝。这些相同的机制被认为是欧罗巴内部暖水海洋的原因。

然而,冰中的潮汐摩擦所产生的能量太弱,无法抵消海洋中所看到的热量损失。在恩克拉多斯海洋正在失去能量的时候,整个月球将在3000万年内冻结。同样,核内放射性元素的自然衰变(也曾为其他卫星提出过),也约为弱于解释土卫二的内部和羽流活动的100倍。

为了解决这个问题,Choblet博士和他的团队对Enceladus的核心进行了模拟,以确定在数十亿年的时间里,什么样的条件可以允许进行潮汐加热。在他们的研究中:由于没有直接约束土卫二核心的力学特性,我们考虑了广泛的参数来描述潮汐摩擦率和渗水的效率。土卫二的未固结岩心可以被看作是高度粒状/破碎的物质,在此过程中,潮汐变形很可能与碎片重新排列时的颗粒间的摩擦有关。
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土卫二地壳内部横截面图,显示了水热活动是如何引起月球表面的水柱的。图片版权:NASA-GSFC/SVS, NASA/JPL-Caltech/Southwest Research Institute

他们发现,为了证实卡西尼号的观测结果,土卫二的核心需要由松散的、易变形的多孔岩石组成。这个核心很容易被液态水所渗透,它会渗入岩心,通过滑动岩石碎片之间的潮汐摩擦逐渐升温。一旦水被充分加热,它就会上升,因为温度与周围环境的不同。

这一过程最终将热量转移到内陆的海洋,在狭窄的羽状物中上升到与Enceladus的冰壳相遇。一旦到了那里,它就会使地表冰融化并形成裂缝,通过这些裂缝射向太空,喷出水、冰颗粒和补充土星e环的水化矿物。所有这些都与卡西尼的观测相一致,从地球物理学的角度来说是可持续的。

换句话说,这项研究能够证明土卫二核心的作用可以产生必要的加热,以维持全球海洋并产生羽流活动。由于这一行动是核心的结构和与土星的潮汐相互作用的结果,所以它在数十亿年的时间里是完全合乎逻辑的。因此,除了为土卫二的羽流活动提供第一个连贯的解释外,这项研究也有力地说明了适居性。

正如科学家们所理解的那样,生活需要很长时间才能开始。据估计在地球上第一个微生物在5亿年后出现,而热液喷口被认为在这一过程中起了关键作用。又过了25亿年,第一个多细胞生物才得以进化,陆地上的植物和动物在过去的5亿年里才出现。

知道像恩克拉多斯这样的卫星——它有必要的化学物质支持生命——也已经有了数十亿年的必要能量,因此非常令人激动。人们只能想象,一旦未来的任务开始更密切地审视它的羽流,我们将会发现什么?
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