火星之后,去木星地盘上找生命

逍遥右脑  2017-05-27 11:14

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(右上)及其大卫星,左上到右下木卫一、二、三、四

北京时间8月6日,耗资25亿美元的美国“好奇号”探测器成功降落火星,对这颗红色星球是否适宜生命存活展开了新一轮的探索。

不过在太阳系中,火星并非寻找地外生命的唯一希望。综合考虑生命生存所需的基本元素、热量、液态水,以及相对稳定的环境等条件,更遥远的木星轨道上还有其他有力候选者。

1610年,天文学先驱伽利略用自制望远镜发现了木星的四颗卫星,这也是人类首次得知除地球外的其他行星也有“月亮”。四百年来,已有66颗木星卫星被发现,四颗伽利略卫星在其中依然鹤立鸡群,也都是整个太阳系里数得着的大卫星。

当然,木星自己更是太阳系行星中的巨人,体积足有地球的1321倍,质量是其他七大行星总和的2.5倍还多。在拉丁文与英文中,木星被称为“朱庇特”,即希腊神话中众神之王宙斯的罗马名字。现实中,木星与其卫星则构成了一个独特的系统,被天文学家誉为“小太阳系”。宙斯是个风流倜傥、艳遇无数的神,四颗伽利略卫星也都以和他“有染”的美人命名。

上世纪70年代以来,共有6个探测器到达过木星轨道,尤其是美国“伽利略号”从1995年起连续工作了8年,今天人类对“四大美人”的了解主要来自于它。其中三颗具有丰富的液态水,也尤为吸引天文学家的目光。

木卫二:冰海公主

木卫二芳名“欧罗巴”(Europa),即希腊神话中被宙斯诱拐的腓尼基公主,今天欧洲大陆的名字就源自这段传说。它也是目前除火星外,太阳系中存在地外生命呼声最高的一颗星球。

木卫二是四颗伽利略卫星中最小的,直径3121千米与月球相仿,外表却迥然不同。木卫二的表面有数量众多、不断变化的裂缝,不过总体上仍非常光滑、明亮,既缺乏陨石撞出的环形山,也没有内部地质运动产生的火山。这暗示着,它的表面并不是陆地,而是厚厚的冰层。

像地球一样,木卫二也分为核、幔、壳三层结构。今年年初,中国科学院紫金山天文台研究员季江徽的研究团队根据“伽利略”探测器的数据,分析木卫二的引力场后认为,其最外部的海洋和冰层共166公里厚,质量则占到整颗星球的10%。也就是说,木卫二上的水总量多达4.8亿亿吨,是地球的3倍以上!

远离太阳的木卫二寒冷无比,表面平均只有约零下170摄氏度,液态水是如何形成的呢?这要归功于木星强大的引力场,它产生的潮汐力可以成为木卫二内部的热量来源,同时在表面冰层“撕”出裂缝,乃至形成喷发的“冰火山”。再加上木卫二内核可能也有放射性元素衰变释放热量,从而能在地幔与冰层之间维持一个液态水世界,为生命诞生提供条件。

近几十年来,科学家在地球深海海底发现了一种无需阳光的生态系统??热液喷口,各种微生物和鱼、虾、蟹、蠕虫等完全依靠地球内部释放出的热量和养分,食物链低端的部分细菌甚至无需氧气。科学家认为,木卫二海底也可能存在类似的热液喷口生态。

木卫三与木卫四:迥异“双胞胎”

木卫三“甘尼米德”(Ganymede)以被宙斯掳走、后成为众神侍者的美少年命名(就是十二星座中的水瓶座,也是伽利略卫星中唯一以男性命名的),以5268千米的直径成为太阳系中最大的卫星,也超过水星;木卫四“卡利斯托”(Callisto)则是一名被宙斯强暴的仙女,后被嫉妒的天后赫拉变为一只熊,也就是大熊座,直径约4821千米。

这两颗卫星大小相近,都由水冰与岩石构成,都可能有液态水构成的地下海洋,以及稀薄的大气,但除此之外差异明显:木卫三地貌更年轻,内核和地幔分层清晰,而且是太阳系中唯一有磁场的卫星。木卫四的表面则像月球一样密密麻麻遍布陨石坑,内部也是乱七八糟混杂一团。

今年1月发表在《自然》上的一项研究认为,这两颗卫星在成长中分道扬镳,是因为木卫三“挨打”更多??木星的质量大、引力大,能像吸尘器一样吸引来自太阳系边缘的彗星撞击自己,其中一部分彗星也会撞在卫星上。木卫三离木星较近,受撞击的概率更高,彗星撞击时的动能也更大,于是被“修理”出了一个由放射性物质组成、更活跃并能散发热量的内核。

正是因为内部热量较多,科学家认为木卫三上存在生命的希望更大一些。不过“伽利略号”的观测表明,覆盖其地下海洋的冰层可能比木卫二还厚,达200千米,是地球南极冰盖平均厚度的80多倍。

木卫四也有自己的长处:它离木星比其他三颗更远,受到的辐射较少,引力也最低,因此被视为未来人类开发木星系统的最佳基地。

木卫一:狂暴星球

木卫一是离木星最近的伽利略卫星,直径3630公里,略大于月球,其名“伊娥”(Io)是一位河神的女儿。宙斯占有她后为欺骗赫拉而把她变为小母牛,但赫拉仍对她百般折磨,一直追到埃及才让她恢复人形。直到20世纪末科学家才知道,以如此柔顺可怜的女子命名的木卫一,却是太阳系行星和卫星中最“狂暴”的。

1970年初,美国“旅行者号”探测器传回资料显示,木卫一表面至少有数百个火山口,其中一些仍然活跃,喷发出硫磺、二氧化硫和硅酸盐等物质,喷发物可高达500千米,落地后形成了红、黑、白等斑斓色彩。数千米高的火山,炽热的硫湖,数百千米长的熔岩流,迄今仍不断改变着木卫一的面貌。

与太阳系的其他卫星相比,木卫一的内部成分与地球最为接近。但其火山的主要能量并非来自内部,而是因为这颗卫星的轨道非常特殊,能与木卫二、木卫三发生共振,同时还受到木星的巨大潮汐力影响,星体不断发生剧烈的扭动、变形,从而产生强烈的地质活动。

活跃的火山、硅酸盐为主的岩石、外加稀薄的大气层,这些都与地球形成初期的情况非常相似,只是由于过度蒸发而只有极少的液态水。加之木卫一的星体表面和大气层完全处于木星的强烈磁场“蹂躏”之下,辐射水平非常高,因此目前认为木卫一基本不适合生命存活。

专家观点:“探木”难度远超“探火”几个数量级

季江徽:中国科学院紫金山天文台研究员

寻找地外生命,首先是寻找“适合生命存在”的宜居行星,对此目前还是以地球生命的生存条件为评判标准。火星与木卫二,有生命存在的呼声都很高,但这两个星球的环境迥然不同,很难说哪一个更适合生命存活。

与火星相比,木卫二的优势是具备大量的液态水,可能有类似地球深海海底的生态环境,但前往木卫二寻找生命的难度要高出几个数量级。

首先是木星属于外行星,距离地球远得多,比如去年升空的美国“朱诺号”探测器,要花5年时间才能抵达木星轨道。远离太阳,对太阳能电池的工作效率是严峻考验,此外木星还有强大的磁场和辐射,会影响电子设备的运转。迄今为止,“伽利略号”是人类惟一曾在木星轨道上进行长期工作的探测器,在它2003年“寿终正寝”后一直处于空白期。

其次是在登陆卫星表面后,探测器先要钻透厚达数十、上百千米的冰层,再潜入近乎一无所知的冰下海洋。在地球南极大陆钻几千米的冰盖都并非易事,去遥远的外星球,用体积、重量严格受限的探测器完成这些工作,难度可以想见。还有就是必须确保探测器不能携带任何地球上的微生物,以防造成污染。

目前,除了以探测木星本身为主的“朱诺号”,欧洲也在进行用于研究木星系卫星的JUICE计划,准备在2022年发射探测器,它们仍将是在太空轨道上工作。至于如何在卫星表面着陆并钻探、取样,目前仅有一些理论上的设想,凭现有的科技水平还难以实现。至少在本世纪中期以前,人类恐怕还无法窥进这些遥远的外星地下海洋。中国科技网(记者 董子凡)


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