刚刚发表在《科学》（Science）上的研究称，科学家根据卡西尼号探测器的数据，发现土卫二（Enceladus）表面喷射出的云雾中含有大量的氢气。这是土卫二海底存在热液喷泉活动的又一个有力证据。在地球上，类似的深海热泉为利用化学能生存的细菌提供了食物，支撑起了一个繁盛的海底生态系统。可以说，土卫二很可能已经为生命存在提供了合适的舞台。
其实，之前科学家已经根据其他证据推测：土卫二不但有一个遍布全球的海洋，在其海洋深处还存在热液喷泉活动。此外，研究者也对远离太阳的土卫二为何能维持一个液态海洋，提出了可能的解释。以下是来自《环球科学》的深度报道。
撰文?弗兰克 · 波斯特贝格（Frank Postberg）
加布里埃尔 · 托比（Gabriel Tobie）
索斯藤 · 丹贝克（Thorsten Dambeck）??
翻译?田丰
位 于百慕大和加那利群岛之间的北大西洋海底应该是一片荒芜的地方。但就在这里，在海面之下近1千米深的地方，大自然塑造了一座海底都市，众多如摩天大楼一样高耸的石灰岩塔为成群结队的海螺、蟹类和蚌类提供了居所。这些石灰岩塔是海底热液喷泉涌出的碱性泉水析出的矿物构成的。21世纪初期，生物学家利用海底遥控摄像机发现了这座奇异的“失落的城市”。自那以后，通过对这里的研究，科学家认识到，在远离生命源泉阳光的地方，热液喷泉可以支撑起一个繁盛的海底生态系统。大约与此同时，行星科学家通过“卡西尼”号土星探测器在外太阳系取得了一系列重大发现，其中包括土卫二冰面下的海洋中存在热液喷泉的有力证据。那么，那里是否也可能存在生命呢?
毋庸置疑，科学家一直着迷于地外生命，但就算没有直接发现异星生命，地外热液喷泉活动对于他们而言也是非常激动人心的发现。表明土卫二有热液喷泉活动的证据，同样提供了土卫二上海洋成分和年龄的重要信息。如果没有热液活动的话，这些秘密可能会被永远掩藏在土卫二厚厚的冰层之下。对于那些目前缺乏热液活动证据的冰卫星（如木卫二等），科学家就很难获得这些信息。
从更基本的层面上说，土卫二有热液喷泉存在，这本身就是个有趣的谜题。对于热液活动来说，关键的要素不是水，而是热，但土卫二内部为何如此炽热是很难解释的。土卫二的直径仅相当于英格兰的东西跨度，在卫星中都不算大，不可能保留其形成过程留下的热量。因此这颗卫星内部肯定有其他热源。如能理解土卫二产生并维持温暖内部环境的机制，我们对冰卫星及其孕育生命的潜力的认知也将得到彻底革新。
第一个线索
科学家在2005年开始怀疑土卫二内部可能有海洋，那是在“卡西尼”号抵达土星系统前一年。当时，“卡西尼”号发现，土卫二正从地质活动较为活跃的南极地区喷出高达数百千米的云雾（主要成分是水汽和冰粒）。 此后数次飞越土卫二时，“卡西尼”号发现这些云雾源自四条狭长裂缝中涌出的多个喷流。这些裂缝的温度明显高于周围地区，在“卡西尼”号搭载的红外探测器看来十分显眼。“卡西尼”项目的科学家称这些裂缝为“虎纹”，他们确认，土星环中最外围的E环就是由裂缝喷出的冰晶组成的。不过，绝大多数冰晶速度太慢，不会到达E环，它们会落回土卫二表面，就像是飘落的细雪。土卫二南半球广泛分布着高度在100米左右的雪堆，据此科学家估计土卫二的南极喷泉可能已经存在上千万年了。
从200万千米之外拍摄的土卫二（图中心）照片。在图中，土卫二镶嵌在土星的E环中，后者是土卫二喷发出的冰晶构成的。
尽管一开始科学家对解释土卫二喷流的“海洋猜想”存在争议，但经过长时间的广泛研究，目前土卫二内部存在海洋已得到了科学界公认。最近，捷克查理大学的翁德雷·恰德克（Ondej adek）和合作者（包括本文作者托比）对土卫二的引力场、表面结构和自转轴变化的研究显示，土卫二赤道区域的冰层厚度约为35千米，南极地区则不到5千米。土卫二海洋深度约为70千米，也就是说土卫二海洋的水量大约相当于印度洋水量的十分之一。根据“卡西尼”号在2009-2011年收集的数据，本文作者波斯特贝格发现，土卫二喷出的云雾中含有氯化钠（盐），因此海洋应该呈盐碱性。这意味着土卫二的海洋很可能与卫星的岩石核部分有直接接触，并从中吸收了矿物质。
土卫二热液喷泉最关键的证据是“卡西尼”号的宇宙尘埃分析器（Cosmic Dust Analyzer ，CDA）从2004年开始收集的数据。当时“卡西尼”号尚未抵达土星，也还没发现土卫二喷出的云雾。在“卡西尼”号接近土星的过程中，宇宙尘埃分析器意外受到了大量高速运动的纳米颗粒的冲击。在发现土卫二的云雾后，波斯特贝格分析了CDA的数据，统计了这些纳米颗粒的大小和出现频率。他发现，这些颗粒的直径都小于20纳米，由近乎纯净的二氧化硅（石英和沙子的主要成分）组成。科罗拉多大学博尔德分校的许翔闻（Hsiang-Wen Hsu）利用数值计算追踪这些纳米颗粒可能性最高的轨道，推断它们的来源是土星E环的外缘。因为土卫二是土星E环物质的主要来源，这也意味着这些纳米颗粒很可能来自土卫二。果真如此的话，它们所含的二氧化硅就是土卫二存在热液喷泉的有力证据。
如果二氧化硅纳米颗粒的源头是土卫二的话，它们的来源只能是位于厚厚的冰层和海洋之下的岩石核心。在这种环境下，硅通常在矿物中与铁、镁之类的元素结合在一起，因此发现纯净的二氧化硅颗粒让人深感意外。这类矿物通过碰撞摩擦而碎裂得越来越小，的确也可能产生二氧化硅纳米颗粒。但如果是这样的话，这些颗粒应该大小各不相同，而这与“卡西尼”号所观测到的直径非常均匀的颗粒不相符。唯一一个可行的解释是，这些纳米颗粒应该是因流经岩石而富含二氧化硅的过饱和碱性溶液结晶形成的，这样的过程发生在深海热液喷泉处，就像地球大西洋底“失落的城市”一样。
宜居的海洋？
在“失落的城市”和土卫二的海底，热液流经硅酸盐岩石时吸收了二氧化硅。当这些热液涌入周围的海洋时会逐渐冷却，携带矿物质的能力随之减弱，从而形成二氧化硅纳米颗粒。在这一过程中，其他分子也可能附着在纳米颗粒上，使得纳米颗粒变得越来越大、越来越重，从而沉淀到海底——只有低盐度的碱性环境才能让纳米颗粒有机会喷出海洋。纳米颗粒的大小和存在时间之间的关系，再加上它们形成时的温度和化学环境，给研究者提供了一个前所未有的机会来研究土卫二的海洋环境。
在“卡西尼”号发现纳米颗粒之后，东京大学的关根康人（Yasuhito Sekine）领导的研究团队通过实验确认了纳米颗粒的形成机制，并由此揭示了土卫二海洋深处的状况。他们发现，水温等于或高于90℃、碱性高于地球海洋，盐度比地球海洋稍低是微小二氧化硅纳米颗粒能够长时间存在的理想环境。根据关根康人研究组的实验，土卫二海洋的碱性应该在地球海洋和含氨的家用清洗液之间。如果碱性过高，海水溶解二氧化硅的能力太强，就根本不会析出纳米颗粒；如果碱性过低，那就只有在极高的水温下，海水才能溶解足够多的二氧化硅来产生纳米颗粒。上述科学家的研究成果表明，如果把“失落的城市”和其他地球深海热液生态系统挪到土卫二海底的话，它们应该也可以存活并繁盛起来，土卫二的海洋看上去是宜居的。
艺术家绘制的概念图，从土卫二内部渗出的热液有可能在海底形成沉积的矿物。
当然，也存在这样一种可能：“卡西尼”号所发现的纳米颗粒是很久以前土卫二上的热液喷泉活动形成的，现在的这些活动早已停止了，土卫二并不宜居。不过，关根康人及其合作者的研究表明事实并非如此。根据实验和数值模型，刚刚形成的纳米颗粒平均直径是4纳米，之后它们仅有几个月到几年的增长时间。“卡西尼”号的宇宙尘埃分析器所收集到的纳米颗粒的典型直径是4~16纳米，没有超过20纳米的。因此这些颗粒应该是在“卡西尼”号收集到它们之前不久形成的，否则就应该更大一些。这是现阶段我们所能够证明土卫二存在热液喷泉的最好证据。
从深海到深空
根据此前发现的机制，现在我们可以追踪一下纳米颗粒从土卫二海底到广阔太阳系的旅程。首先，纳米颗粒在富含二氧化硅的热液涌入冰冷的海洋时形成，之后这些颗粒花费数年的时间，从深达60千米的海水中浮上来。
当纳米颗粒抵达海洋表层时，会进入灌注了海水的裂缝中，这些裂缝纵横交错，穿透了土卫二南极区域厚达数千米的冰层。因为海水的密度高于周围的冰，在土卫二表面1千米以下，携带着纳米颗粒的海水就会停止上升。不过“香槟效应”给了海水更进一步的助力。当溶解有二氧化碳的海水上升时，随着压强降低，二氧化碳会从水中析出并形成大量气泡。气泡可以把海水抬升到距离土卫二表面100米以内。
我们推测，这些海水会积聚在冰层中的孔洞里。在土卫二表面近似真空的环境下，二氧化碳和低气压的共同作用使得海水像沸腾了一样冒泡，抛出水雾和蒸气。水雾中的水滴迅速结冻，形成了包裹着二氧化硅纳米颗粒的微米级冰晶——就像是果仁面包一样。蒸气在冰层表面的裂缝内上升。一部分水蒸气凝结在冰壁上，释放出的潜热就是我们看到土卫二表面“虎纹”发出的明亮红外辐射。没有凝结的水蒸气携带着含有纳米颗粒的冰晶冲出冰面进入太空，形成了土卫二的冰喷泉。
喷泉中的绝大多数冰晶落回了土卫二表面，但速度最快的那些则逃离了土卫二，形成了土星的E环。冰晶在E环中遭受电离气体的不断剥蚀，最终释放出了包裹在里面的纳米颗粒。被释放的纳米颗粒从电离气体和自由电子获得电荷，成为土星的电磁环境的一部分。其中的一部分纳米颗粒在太阳风的作用下，速度可以达到每小时100万千米（大约相当于光速的百分之一），从而一直飞到太阳系的边缘去。还有少量的纳米颗粒甚至可能进入了星际空间，正在太阳与其他恒星之间漂流。
热源问题
这是一个优美的理论，我们也认为它相当准确。但这个理论并没有涉及土卫二的最大难题：维持海洋活动的热源是什么？这个对于液态水和生命都至关重要的热源显然不是阳光。因为土卫二接收到的阳光强度仅有地球的百分之一，这使得土卫二的表面温度接近液氮的温度。
数十亿年来，地球内部一直维持着高达数千摄氏度的温度，其热量大约有一半来自放射性元素铀、钍、钾的衰变。尽管土卫二内部的放射性元素丰度与地球相当，但这颗卫星过小的体积（直径500千米）使得它内部热量散失的速度远高于地球。如果没有其他热源的话，土卫二应该从内到外都是冰冷的。土卫二体积小，引力也弱，因此其内部动力机制也与地球这样的大行星不同：因为土卫二内部压强较低、温度也不高，其核心中的物质致密程度有限，于是水可以通过岩石之间的缝隙流动，使得靠近卫星中心的区域也能出现热液活动。与此不同的是，地球内部压强和温度的快速增加使得水的流动被限制在地壳表层几千米的范围内。
按理说，内核的热液活动会加速土卫二的冷却，带走放射性元素所释放的热量，从而让土卫二无法维持形成二氧化硅纳米颗粒的高温环境。不过，土卫二在放射性元素之外还有一个可能的热源，足以解释现在的热液活动，即潮汐加热。
地球海洋的潮汐活动是月球和太阳的引力拉扯导致的，与此类似，当一颗行星或卫星在非圆轨道上运动时，其内部会发生周期性的变形，从而出现潮汐加热现象。变化的引力导致行星或卫星变形，使其内部不同岩层之间磨擦并产生热量。潮汐加热对于土卫二这种内部疏松并且富含水的天体特别有效。“卡西尼”号的数据清楚地显示了土星潮汐力对土卫二的影响：喷泉的亮度和物质量会随土卫二的公转而出现周期性变化。很明显，土卫二冰层中可供雾气和水蒸气通过的裂缝，在潮汐力的拉扯和挤压下反复张开和闭合，潮汐力同样也产生了大量的热。
潮汐的变化
我们所不知道的是，土卫二今天的海洋到底是仅仅短暂存在了几千万年，还是维持了几亿年或几十亿年。答案依赖于潮汐加热持续的时间，而潮汐加热的时间又依赖于土卫二对土星和土星另一颗卫星土卫四的影响。
要理解这些天体间的潮汐相互作用，可以参考一下我们较为熟悉的地月系统，它与土星和土卫二有一些相似之处。月球会让地球产生潮汐，而土卫二对土星也有同样的作用。在地球的海洋中，潮汐的能量会因为与海岸和海底摩擦而逐步耗散掉。这个效应会令地球的自转变慢，100年以后的一天比现在的一天长大约千分之二秒，同时地球消耗掉月球的潮汐能量会导致地月距离增大约4米。同理，土星内部的潮汐摩擦作用会导致土星自转速度发生微弱变化，同时令土卫二和土星之间的距离增大并使得土卫二轨道偏心率增加。更高的偏心率会导致更强的潮汐作用并在土卫二内部产生更多热量。早期的理论计算估计，土卫二在土星内部引发的潮汐作用非常微弱，导致土卫二轨道偏心率减少，因此土卫二上因潮汐加热而存在的海洋的“年龄”，不会超过100万年。
最近巴黎天文台的瓦莱里·莱内（Valéry Lainey）和同事（包括本文作者托比）重新分析了土星系统中较大卫星的运动，更精确地计算了土星内部潮汐摩擦的强度。他们发现，土星内部潮汐磨擦的强度比之前模型的预测结果要高至少一个数量级。如果计算准确的话，更强的潮汐摩擦意味着土卫二的轨道偏心率可以在相当长的时间内保持稳定，从而使得潮汐加热能让海洋维持至少数千万年，而且还可能更加长久。土卫二的海洋存在的时间越长，生命在那里诞生并繁荣发展的可能性也就越大。
海洋能存在多久？
土卫二如果有生命存在的话，它的海洋必须持续存在相当长的时间。如果海洋是间歇性存在的，只能持续几千万年，或是在冰冻和融化状态之间循环往复，那么这颗卫星很可能无法产生生命。而海洋的寿命和维系卫星热液活动的神秘热源密切相关。科学家找出了三个可能为卫星供热的能源，每个热源都会导致不同的海洋寿命。
蛇纹石化
与此同时，在潮汐加热之外，土卫二还可能存在另一重要热源。水渗入硅酸盐岩石时，可能会与某些矿物结合为水合物，并改变其晶格结构，释放出可观的热量。这个过程被称为蛇纹石化（serpentinization）。在土卫二富含硅酸盐的多孔岩质核心中，水在稳定地循环流动，从而促使该过程持续进行，释放热量的功率可以达到数十亿瓦，这可能是土卫二相当重要的内部热源。只要新鲜的、未发生变化的矿物不断与循环水流接触，热量供应就会持续下去。但是，但土卫二内部全部蛇纹石化之后（时间约为数百万年），就无法再通过这个过程获得热量，如果没有潮汐加热之类的其他热源，土卫二就会变冷，因此蛇纹石化过程自己应该无法让全球性的海洋维持足够长的时间，来完成生命起源前的化学演化过程。
但是蛇纹石化过程仍有可能为土卫二内部可能存在的生物圈做出贡献。科学家发现，地球上的蛇纹石化过程为类似“失落的城市”的深海热液喷泉提供了能量，而除了热量外，这类反应还可释放出氢、甲烷和其他有机物，而这些物质是维持深海微生物生命活动必不可少的。在与世隔绝、缺乏阳光的深海生物圈中，这些细菌构成了食物链的基础。有些研究深海微生物的科学家还对生命是否真的需要阳光产生了怀疑。
20世纪80年代后期，苏格兰斯特拉思克莱德大学的迈克尔·拉塞尔（Michael Russell）和同事推测，碱性热液喷泉可能是早期地球生命最初诞生之处。尽管当时研究者尚未在地球上发现热液喷泉，但拉塞尔指出，演化出现代生命的膜结构、新陈代谢机制和自我复制机制的生命前化学过程均可能在热液喷泉环境中发生。这一猜想并未在纯学术圈之外得到重视，也没有引发什么探讨或争论。
“失落的城市”的发现让人们对拉塞尔的猜想产生了新的兴趣，使其成为了当代生命起源研究的前沿课题。现在，我们在土卫二上发现了类似的深海环境，而其他冰卫星（如木卫二）也有可能存在热液活动，这些都促使我们转变在太阳系搜寻地外生命的思路。生命不一定限定在温暖湿润的固体行星上，它们也可能出现在更为多样的环境中，由放射性元素衰变、蛇纹石化或潮汐力提供能量。土卫二和木卫二也可能仅仅是冰山的一角——木卫三、木卫四、土卫六和土卫一，甚至遥远的冥王星都有可能存在冰下海洋。对地外生命感兴趣的科学家才刚刚开始着手研究这些可能性。但现在看来，我们过去很可能大大地低估了宇宙中生命的丰富程度。
目前，我们仍不知道冰卫星内部是否真的满足生命存在的所有必要条件。土卫二的热液喷泉活动的持续时间和活动强度仍是一个未获解答的问题。对木卫二内部热液喷泉的任何讨论都仅仅是猜测。美国航空航天局和欧洲空间局正在积极地寻求这些问题的答案，它们计划发射探测器，在2030年左右探索木星系统的冰卫星，寻找类似土卫二的云雾喷流。在2017年之前“卡西尼”号将继续探测土卫二。为了防止地球微生物污染土卫二或其他冰卫星，“卡西尼”号完成使命后将于2017年撞击土星。最终，新一代的探测器将会访问土星二，就地进行观测研究——着陆、采样并把样本送回地球。虽然这样的探测计划目前仅仅存在于天体生物学家的梦想之中，但也许他们不用等待太久。
本文作者
弗兰克·波斯特贝格负责“卡西尼”号的宇宙尘埃分析器的质谱分析研究。目前他同时任职于德国海德堡大学和斯图加特大学，主要研究宇宙尘埃和冰质卫星。
加布里埃尔·托比是法国行星科学家，他年轻时受NASA伽利略木星探测计划的激励投身科学，目前主要研究木卫二、土卫二和其他冰卫星在潮汐力作用下的活动。
索斯藤·丹贝克是德国物理学家，同时也是科学作家，主要撰写天文学和行星科学方面的文章。在20世纪80年代初，年幼的他曾通过望远镜观测过土卫二。
本文译者
田丰是清华大学地球系统科学研究中心教授、中科院国家天文台“百人计划”研究员。他主要的研究领域是行星大气、比较行星学、天体生物学和行星宜居性等。
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