為什麼木衛二(歐羅巴)是尋找外星生命的地方?

我已經看到了太空探索的未來,它看起來就像一個覆蓋著棕色汙漬的檯球母球。我說的是木衛二(歐羅巴),那個直徑1940英里(約3122千米),近似白色,且表面極其光滑的木星的衛星。它是一個神秘的世界,因為從很多方面來說,它幾乎是一個完美的地球反面。它同時也是最有可能找到外星生命的地方之一。如果這兩種說法聽起來相當矛盾,你沒聽錯,確實如此。這就是木衛二現在可能是太陽系系統中最重要的世界的原因。根據美國國家航空航天局2020年的預算提案,為了探測這顆神秘的衛星,木衛二飛躍任務太空飛船將在2023年發射。

木衛二非塵世的面目確確實實是非「塵」世的:這是一個由水冰而非岩石塑造而成的球體。在這裡,移動的大陸板塊變成了冰殼構造,地幔變成了鹹海,火山變成了氣體瀰漫。球體表面的汙漬可能是從地震斷層中滲漏的冰一樣的、骯髒的海洋物質。

從相對地球構造的角度來說,木衛二的構造全都不對,它的上層是結實的硬殼,下層是水。但是從外星生命的角度來說,這可能是個完美的頂級安排。在它冰凍的硬殼之下,木衛二保有我們星球所有海洋現存總和的兩倍的液態水。天體生物學家通常把水視為生命產生的第一要素,這麼說,木衛二可是富含生命的第一要素啊。僅在冰線之下,情況可能與南極冰蓋下側的環境類似。在其深海的底部,木衛二可能存在著一套活躍的海底熱泉系統。這兩者都是地球上充滿活力的生命棲息地。

「冰樣物質容易氣化,產生了一種無風無雨也能改變地貌的奇特的風化作用。」

更有趣的是,木衛二的水有時候也可能擺脫掉其冰冷的疆界。哈珀太空望遠鏡至少在四個場景中探測到了疑似大團羽狀的水蒸氣從木衛二噴出。正是這樣的探測結果證實並擴展了是什麼使得木衛二成為一個如此有活力的世界的科學設想。木衛二沿略微橢圓的軌道繞木星公轉,這使得它在巨大的行星引力下被來回擠壓和拉伸。這種彎曲在衛星內部產生強烈的摩擦,並生成了足以維持在木衛二冰凍外殼之下的溫暖的海洋熱量。羽狀水汽的發現表明木衛二的伸展引起了能使地下水像間歇泉一樣噴發的網狀裂痕的開合。

如果間歇泉由湧穿外殼的海水組成,那麼它們可能攜帶著水生生物的痕跡。如果羽狀水汽升騰得足夠高,未來的太空飛船可以直接從中飛過,吸入生物化學物質。

外殼下的跡象:鹹海水似乎湧出了木衛二冰凍的外殼,產生了紅棕色斑紋狀的網路。也許在這個過程中攜帶了水生生物的痕跡?此景為100英里(約1609千米)寬。

圖片來源:美國國家航空航天局/加州理工學院噴氣推進實驗室/地外智慧生物搜尋協會

這樣你就知道為什麼在2015年美國國家航空航天局艾姆斯研究中心舉辦的外行星評估組會議上,人們會暈頭轉向了。一個定期舉行的探討冰凍世界的論壇,OPAG(外行星評估組的縮寫)的集會差不多就是一群公司參加蘋果電腦展會和黑膠唱片展會的結合體。這些集會就是高手對話初出茅廬的新人,展示最新的科技成果,討論一些設想並且發展探索策略的地方。伴隨著新資料的發現,他們越來越相信木衛二才是尋找外星生命的地方,而不是火星。發現羽狀水汽相當於又給他們打了一針腎上腺素。當瑞典皇家技術學院的洛倫茲 • 羅斯通過斷斷續續的電話,向大家講述了有關此類間歇泉再次噴發的最新研究(唉,還是沒啥運氣)的時候,房間裡變得沉默異常。

外行星評估組大會的另一則重要新聞就是發現了木衛二像地球一樣具有板塊構造,但和其它我們所知的世界不同。構造描述的是地殼運動並週期性循環併入內陸的過程。來自約翰 • 霍普金斯大學應用物理實驗室的路易斯 • 普羅克特嘔心瀝血地重建了1995年至2003年環繞木星的伽利略號航天器拍攝的舊圖像,與其他科學家共同發現了木衛二上的這種活動模式。(對其它伽利略號的資料分析表明,該探測器曾在1997年從木衛二的羽狀水汽當中飛過,但當時科學家們並沒有意識到這一點。)

正如普羅克特在會議中向我解釋的那樣,一個移動的地殼可能會導致兩件重要的事情發生。它使表層冰體及其在陽光暴露下形成的合成物旋轉並下沉到黑暗的海洋中,而這種化學流對於為海洋提供營養至關重要。地殼的移動也將海洋中的物質帶到海面,在這裡一探究竟的人類不需要真的鑽入木衛二的海洋,而是用眼睛就能找到線索。

受到這些發現的鼓舞,崇拜木衛二的人們擺脫了外行星評估組大會的侷限。一次對木衛二的成功訪問會將焦點放在令人難以置信的木衛二的冰海環境上。這也會幫助科學家們在總體上了解木衛二的冰凍世界。冰凍的衛星、矮行星和巨型小行星都是廣闊無垠的外太陽系區域的常態,如果它們都複製了木衛二的模式,它們可能會包含很多太陽系的可棲息地。認為其它恆星周圍也存在著同樣豐富的冰凍世界的理由是十分充分的。綜合所有這些新想法,從總體上說,銀河系可能包含數百億個利於生命產生的冰盒子。

但是,如果說這些驚人的推測似乎表明科學家們開始明白了木衛二的運作原理,那就讓我說說不同的意見吧。木衛二還只是一個巨大的讓人難以理解的冰球。

冰層之下:一位藝術家描繪的木衛二(下部),木星(右側)和木星最內側的木衛一(中)概念圖,可以看到鹽從木衛二的液態海洋冒出,直達其冰凍的表面。

圖片來源:美國國家航空航天局/加州理工學院噴氣推進實驗室

我們知道的幾乎所有關於木衛二表面的一切都來自美國國家航空航天局於1995年抵達木星的伽利略任務。在其八年任務期間,伽利略航天器繪製了木衛二大部分地區的圖像,但其原始解析度僅為每像素一英里(約1600米)。相比較之下,當今最好的火星圖像可以顯示精確到三英尺(約0.9米)的細節。約翰 • 霍普金斯大學應用物理實驗室的伊莉莎白「茲比」 • 特圖承諾,即將推出的美國國家航空航天局的木衛二探測器上的攝像頭將會呈現相似水準的清晰度。在此之前,想想試著用一張顯示程度不小於一英里(約1600米)範圍的地圖進行導航,你就知道研究木衛二的科學家們進步了多少。

而且,從最基本的水平看,行星科學家們依然無法很好地了解地質條件(或許我們可以稱之為「冰川學」?)是如何在冰凍環境中的運作的。這麼說吧,冰,也不只是冰而已。美國國家航空航天局噴氣推進實驗室的羅伯特 • 帕帕拉多是該局即將推出的木衛二探測器的首席任務科學家,他向我解釋了這種說法的一些複雜性。在木衛二上,在溫暖的天氣下,赤道區域表面溫度可以升至華氏零下210度(約攝氏零下134度);而在兩極,溫度則驟然降至華氏零下370度(約攝氏零下223度)。在這樣的條件下,水被很自然地認為是一種礦物質,而冰則幾乎被視為和混凝土一樣。它在開裂、破碎、瓦解的方方面面都與岩石極度相似。但是即使在這種極度冰凍的條件下,表層冰依然能夠昇華–從固體直接蒸發成氣體–而岩石則無法如此。冰凍的物質往往會從更暗更溫暖的區域升騰,在更亮更寒冷的區域彙集,這就產生了一種無需風雨就能改變自然景觀的奇特的風化現象。

還有許許多多的事情在木衛二表面發生著。木星有一個巨大的強力磁場,以平均每天大約500雷姆的輻射量持續不斷地籠罩著其衛星,而你也可以輕易地判斷出這樣一劑強輻射足以讓你在一小時內生病並在二十四小時內死亡。這種輻射可以快速地分解任何有機化合物,極大地複雜化了搜尋生命的過程,但也產生了其它各種複雜的化學反應。一項噴氣推進實驗室的實驗表明,木衛二的條紋顏色是由被輻射的海鹽產生的。這些和其它碎片化的分子以及彗星撞擊過程中形成的持續不斷的有機物質流,在循環下降回到海洋的時候,是可以被用作生命的能源的,因為在海洋裡任何生物都會受到良好的保護。

「如果有一個外星人在木衛二的海洋裡游泳,但是沒有人能夠看見它,那它真的存在麼?」

木衛二的地殼–其冰冷的外殼的移動又是一個廣闊的神秘領域。羅伯特 • 帕帕拉多提到,在這冰冷的世界裡,水承擔著地表深處的岩漿和熱岩石的作用,但是再說一次,冰和岩石是完全不同的。在高壓之下,暖冰會變軟成泥濘狀,並且會緩慢移動。在木衛二地殼的內部遍佈著複雜的循環模式,其厚度大約為10至15英里(或多或少約16000至24000米,這將是木衛二任務調查的又一個謎團)。大量的液態水可能被外殼包裹,與地下的海洋隔絕。表面的羽狀水汽可能不是直接來源於海洋,而是來源於這些中間湖,類似於南極洲尚未開發的沃斯托克湖。

在外行星評估組大會上,有關冰循環的看似狹隘的爭論引發了關於在木衛二乃至無數的冰凍世界裡生命前景的豐富多彩的辯論。佐治亞理工學院的布蘭妮 • 施密特想知道木衛二上活躍的地質狀況(冰川學)是不是完全發生在地殼的內部。如果物質絲毫不在表層和海洋之間循環流動,木衛二相當於自行密封了。這樣一來,生命就不能從表層獲取任何新鮮的化學物質,而且即使生命以某種方式存活,除非我們找到一種方法挖個洞看到底,否則我們也許永遠也不會知道。外行星評估組的幾位研究人員提議,表面著陸器才會帶來富有意義的答案。一位積極的聽眾反覆提出應該發射撞擊器–本質上就是高速保齡球–來撞擊表面並鬆動任何可能被埋藏的微生物。

至於木衛二的海洋本身,我們可以更深入地稱其為「「未知之水」」。一項實驗指出,如果木衛二的表面確實有鹽斑,這表明存在一個底部有海水與岩石海底劇烈相互作用的富有礦物質的海洋。這種相互作用的可能來源是由木衛二內部熱量驅動的熱噴泉網路;這樣的噴泉能夠提供維持木衛二生命的化學能量,正如它們在地球上所做的一樣。但是有多少整體熱液活動還在進行著?酸度和鹽度對生命有利嗎?那裡有多少有機物質?科學家們互懟,用現在暫時還沒有答案的問題向對方發出挑釁。

我們何時(或者是否)找到這些問題的答案在很大程度上取決於木衛二內在的性質外顯得有多明顯。外行星評估組的談話有時候會降格成類似學院派的存在論:如果一個外星人在木衛二的海洋裡游泳,且沒有人能夠看見它,那麼它是否存在呢?

冰景:一張整個木衛二表面的環球地圖,由美國國家航空航天局伽利略號航天器的190張圖像和美國國家航空航天局旅行者2號航天器的14張照片構成。

圖片來源:美國國家航空航天局/噴氣推進實驗室/比約恩 • 瓊森

木衛二的信徒們一直在等待一個任務的出現,期待這個任務能夠消除此類爭論,或者至少有實打實的資料來支持他們的觀點。而這個等待是充滿了樂觀與失望的拉鋸戰。美國國家航空航天局計劃的木衛二軌道器於1999年獲批並在2002年被取消。該局轉而又以一個更加野心勃勃、由核能驅動的木星冰月軌道器計劃捲土重來,該計劃看起來前途無量,直到被推遲並最終在2006年被取消。與歐洲航天局共同擬定的探險計劃甚至還不如這個進行得深入,儘管歐洲人正在執行他們那部分計劃,即計劃於2030年向木星的另一個冰凍的衛星木衛三(蓋尼米德)發射一枚探測器。

配備有相機和光譜儀等科研設備的木衛二飛躍任務探測器將反覆俯衝飛過衛星並生成用來確定其結構的圖像。木衛二任務有可能還會包括著陸器。雖然錢袋空空,但是開朗的亞當 • 斯特茨納–想出如何將兩噸重的好奇號火星車在火星上安全著陸的工程師–向我保證,從技術的角度來說,設計一個配有火箭助其在木衛二上軟著陸的小型探測器並不難。在那裡,它能夠鑽入地表,尋找潛在的還未被木星發出的輻射降解的有機物質。

外行星評估組的研究員們都遺憾地認同一個事實,即大家是不會看見那麼多酷炫木衛二潛艇中的一艘出現在美國國家航空航天局的暢想「未來任務概念」的網頁上的。對地球上的沃斯托克湖進行探測已經是一項艱鉅的挑戰了,更不用說我們還不知道如何在木衛二的冰層上鑽10英里(約16000米)或更多並且通過遙控探索一個外星海洋,這當然也不會是美國國家航空航天局預算的合理去處了。

不過沒關係,即使是美國國家航空航天局現有的木衛二計劃是個簡潔版本,也一樣會釋放出有關冰凍世界如何運作和它們有多大可能維持生命的海量資訊。如果這些資訊正如許多科學家希望的那樣令人興奮,我也十分期待著,它將為未來探索土衛六(泰坦)、土衛二(恩科拉多斯)和其它一些木衛二和藹的表親們提供支持。它也將會重新塑造其它恆星周圍宜居地的搜尋。目前,天文學家致力於找尋其它類地行星,但那也許不該是關注的重點。也許宇宙中大多數生命掩藏在冰殼之下,安全卻也難以察覺。

無論木衛二是否是外星生物的家園,它都會告訴我們生命的範圍有多廣和我們會在哪裡找到生命。一顆冰凍的衛星將會治癒對岩石行星科學的盲目熱愛。嗨,你把哪個星球稱為母球呢?

作者: COREY S. POWELL

FY: AngelinaWu

選文:天文志願文章組-

翻譯:天文志願文章組- AngelinaWu

審核:天文志願文章組-

終審:天文志願文章組-

排版:天文志願文章組-零度星系

美觀:天文志願文章組-

參考資料

1.維基百科全書

2.天文學名詞

3.原文來自:http://m.nautil.us/issue/71/flow/why-europa-is-the-place-to-go-for-alien-life

本文由天文志願文章組- AngelinaWu翻譯自COREY S. POWELL的作品,如有相關內容侵權,請於三十日以內聯繫運營者刪除。

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全文排版:天文線上(零度星系)

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