巨大的海洋，藏在太陽系內一顆不起眼的衛星上

土星有美麗的土星環和一個龐大的衛星系統，天文學傢已經發現的土星衛星超過100顆。作為發現最早、距離土星最近的衛星之一，土衛一（Mimas）此前在這個衛星傢族中並不顯眼，天文學傢一直認為它是一顆沉寂的衛星。

但是，一項最新研究將會改變他們對土衛一的認識。2024年2月7日，一個由法國巴黎天文臺瓦列裡·萊尼（Valéry Lainey）博士領導的國際研究團隊在《自然》（Nature）雜志發表論文，公佈瞭他們對土衛一的研究成果。暨南大學計算機科學系張慶豐副教授也參與瞭這項研究。他們發現，在土衛一表面冰殼之下大約20—30千米的深度存在一個全球性海洋，體積占到土衛一總體積的一半。這片海洋非常年輕，形成時間距今約為200萬至2500萬年。

不起眼的衛星

1789年9月17日，英國天文學傢威廉·赫歇爾（William Herschel）使用他的40英尺反射式望遠鏡發現瞭土衛一。後來，威廉·赫歇爾的兒子、天文學傢約翰·赫歇爾（John Herschel）以希臘神話中的巨人米瑪斯（Mimas）的名字命名瞭這顆衛星。

土衛一看起來是一顆平平無奇的衛星。它的平均直徑為396千米，因為個頭小，因此無法維持球體的形狀，而是像一顆雞蛋。土衛一的低密度顯示，它幾乎全部由水冰構成，這也是天文學傢目前唯一在土衛一上探測到的物質。它距離土星的平均距離隻有18.6萬千米，不到地月平均距離的一半，繞土星公轉一周需要22小時36分鐘。和月球同地球的相對位置相似，土衛一被土星潮汐鎖定，即土衛一有一面始終面對土星而另一面始終背向土星。

土衛一的表面佈滿隕石坑，而它最具標志性的特征就是一個巨大的隕石坑，即赫歇爾隕石坑。赫歇爾隕石坑的直徑達到130千米，約為土衛一直徑的三分之一。這個隕石坑的存在使得土衛一看起來就像是電影《星球大戰》（Star Wars）中的“死星”（Death Star）。

卡西尼號探測器拍攝的土衛一。（圖片來源：NASA）

在很長時間裡，天文學傢使用地基望遠鏡看到的土衛一隻不過是一顆小點。1997年，卡西尼—惠更斯號探測器發射升空。2004年，作為軌道器的卡西尼號進入環繞土星的軌道；在進行13年的探測後，卡西尼號於2017年受控墜入土星大氣層中。卡西尼號對土衛一進行瞭近距離觀測，幫助天文學傢獲得瞭大量詳細的觀測數據，還拍攝瞭土衛一的清晰圖像。

冰層下的海洋

天文學傢不是首次在土星的衛星系統中發現地下海洋。在此之前，他們已經在土衛二（Enceladus）的冰層之下發現瞭海洋。土衛二的地下海水沖破冰層噴發而出形成的羽流堪稱太陽系中最壯觀的景象之一。

土衛二的地下海洋在南極附近沖出表面形成羽流的示意圖。（圖片來源：NASA）

土衛一與土衛二同土星的距離相近，大小也相似，土衛二的直徑約為500千米。這次發現使得二者更加相似。不過，土衛二表面下的海洋以巨大羽流的形式沖出冰殼，而土衛一的海洋則暗藏於它的冰殼之下。

卡西尼號可以飛過土衛二的巨大羽流，從而確認內部海洋的存在，甚至能夠發現其中的復雜分子，但是用這種方法無法探測土衛一的內部海洋。不過，雖然無法進行直接探測，卡西尼號的探測數據還是在天文學傢發現土衛一內部海洋的過程中發揮瞭關鍵作用。

萊尼等人最初是在使用卡西尼號的數據研究土星環中的裂縫即卡西尼縫的時候，發現瞭土衛一內部可能存在海洋的線索。2010年，他們在研究土衛一的軌道變化是否會對卡西尼縫產生影響時，註意到土衛一的自轉和軌道存在奇怪的漂移。到瞭2014年，他們經過研究認為，隻有兩個可能的原因會導致這樣的擺動：要麼土衛一有一個變形的固態巖石核心；要麼它有一個內部海洋，使得外殼可以獨立於內核而擺動。

這個團隊的進一步研究表明，如果觀察到的擺動是由巖質內核引起的話，這個內核會呈現被拉長的扁平狀，類似一塊薄餅，但這與天文學傢的觀測結果明顯不符。因此，研究人員隻能用土衛一存在內部海洋來解釋觀測結果。而且，從2014年開始觀測到的土衛一的軌道演化也進一步支持它有一個全球性內部海洋的猜想。

土衛一的軌道仍然保持傾斜，研究人員由此推算出內部海洋的年紀很輕。同時，他們還計算出在土衛一的海洋裡可能存在多少水。萊尼指出，對於這個大小的衛星來說，有一半的體積被水占據，這是非常驚人的水量。

宜居的可能性

雖然天文學傢此前已經在土衛二、木衛二（Europa）等太陽系內的衛星上發現瞭地表之下的海洋，但是此次發現土衛一的地下海洋還是一個重要的突破，因為他們從未設想過在像土衛一這樣非常寒冷且看起來不存在地質活動的衛星上可能存在液態水。這篇論文的共同作者、倫敦大學瑪麗女王學院尼克·庫珀（Nick Cooper）博士指出：“土衛一被隕石坑覆蓋的表面沒有給出內部暗藏海洋的任何痕跡。”

研究人員認為，土衛一海洋中的水與巖質內核發生摩擦，同時會被摩擦產生的熱量所加熱。而在此之前，天文學傢沒有考慮過在土衛一內部會存在諸如加熱或者水和巖質內核相互作用這樣的內部地球物理活動。水和巖石的相互作用被認為在地球上的生命起源和演化過程中發揮瞭至關重要的作用。因此，在土衛一發生的這類反應使得土衛一可能具備適宜生命存在的條件。

土衛一還為天文學傢提供瞭一個難得的機會去觀察海洋形成的早期階段。庫珀認為，土衛一應該成為研究生命起源的重要候選天體。土衛一上發現海洋表明，即使看起來不活躍的小型天體也可能擁有支持生命必需條件的隱藏海洋。

這項發現可能改寫天文學傢對“海洋衛星”（Ocean Moon）的定義，改變我們在太陽系內的衛星上搜尋可能存在的地外生命的方式，拓寬瞭在太陽系內搜尋宜居條件甚至地外生命的前景。萊尼認為，土衛一絕對不是那種看起來有可能宜居的天體，因此如果土衛一可能具有宜居條件的話，其他很多種類型的天體都可能具備宜居的條件。

研究人員期望在未來能夠派遣探測器降落在土衛一和土衛二的表面上，對這兩顆衛星的內部海洋進行進一步的研究。萊尼表示，任何前往土衛二的太空任務都應該同時對土衛一進行研究，因為兩顆衛星的距離很近，有相似的海洋系統，隻是兩顆衛星的海洋系統處於不同的演化階段。

不過，要想實現派遣探測器的目標，現在看來還比較遙遠。2022年，美國國傢航空航天局（NASA）公佈瞭下一個十年（2022年—2032年）的重點任務，其中一項旗艦項目就是“土衛二繞落器”（Orbilander），這臺探測器由軌道飛行器和著陸器組成，目標是對土衛二進行探測。但是該項目計劃在本世紀30年代後期發射，最終到達土衛二並實施著陸可能要在50年代初。

與此同時，萊尼計劃通過地面觀測繼續對土衛一進行研究，探索它的溫度如何演化、內部海洋如何影響瞭它的軌道以及這些對土星環和土星的其他衛星產生瞭哪些影響等問題。這些研究有助於幫助天文學傢更好地計算出土衛一內部海洋的年齡。

天文學傢已經在氣態巨行星的衛星上發現瞭地下海洋，土衛一的地下海洋是太陽系內新的水世界。因此，對於生命起源和演化至關重要的水在太陽系內似乎並不如天文學傢曾經認為的那樣稀缺。於是，他們正在擴大搜索地外生命的范圍，除瞭把目光瞄準遙遠的系外行星外，在太陽系內的這些衛星上，未來或許就能發現適宜生命存在的環境，從而徹底改變我們對於生命起源和演化的理解。

南方周末特約撰稿 鞠強

責編 朱力遠