神秘的“冰雪卫星”

张唯诚

土卫二的地下热源加热了地下水，并把冰屑和其他物质喷射出来

1789年，英国天文学家威廉·赫歇尔发现了土星的一颗卫星，这颗卫星被命名为“恩克拉多斯”，即土卫二。恩克拉多斯是古希腊神话中的巨人，然而土卫二却并非如此。它的直径只有500千米左右，约为月球直径的七分之一、土卫六（土星最大的卫星）直径的十分之一。在只靠望远镜观测星空的时代，这颗小星球幸运地被发现，但有关它的更多情况，人们就很难再依靠望远镜去获知了。

1980年和1981年，“旅行者1号”和“旅行者2号”探测器先后飞掠土星，在它们临近土星的时候经过了土卫二，并拍下了土卫二的照片。这两艘探测器不但确定了土卫二的大小，而且发现土卫二是一个名副其实的“雪球”——其表面覆盖着冰雪，极为荒凉，偶见沟槽和凹坑。但土卫二并不是一个纯粹的“雪球”，它的内部应该有一个硅酸盐核心。由于冰雪的覆盖，土卫二显得非常明亮，是太阳系中最明亮的卫星。

土卫二上覆盖着冰雪虽已被人们知晓，但诸如“雪层有多厚，是坚硬还是蓬松”这样的问题，直到最近，人们才有了一点眉目。2023年3月，科学家们宣布，他们通过利用“卡西尼号”土星探测器获得的数据，对土卫二表面的积雪进行了研究。原来，土卫二的冰层上有一些裂缝和陨石坑，类似的地貌也存在于地球上的一些地方，例如冰岛。科学家们认为，在阳光照射表面的情况下，依据阳光投下的阴影，运用几何学原理，再对比地球上类似的地形，他们可以估算出土卫二凹坑和裂缝的深度，从而间接地推算出土卫二上积雪的情况。凭借着这样的方法，科学家们仔细研究了土卫二的表面。他们推测，土卫二上的积雪应该很深，多为数百米，最深处可达700米。

那么，土卫二上的积雪是怎么来的？在“卡西尼号”土星探测器飞临这颗星球后，科学家们才知道了答案。2005年3月和7月，“卡西尼号”对土卫二进行了2次飞掠，每次都尽量靠近土卫二，两者相距最近时只有168千米。这样一来，“卡西尼号”得以用它的照相机拍下非常清晰的土卫二地表照片。通过这些照片，科学家们发现土卫二的南极地区有一片虎纹状的地形，长128千米，宽40千米。虎纹状地形的裂缝中正在不断地喷射着间歇泉，那是一些水蒸气和冰屑似的物质，一直被喷射到430千米以上的高空。这就是说，土卫二的内部不断有物质逸出，正是这些物质为土卫二构建了一个大气层。当水蒸气和冰屑似的物质落下后，土卫二被装扮成了一个覆盖着冰雪的明亮天体，成为太阳系中名副其实的“明星”。

土卫二覆盖着冰雪的表面

土卫二不但体积小，而且还非常冷，表面温度为零下200℃。这样冷的星球怎么会出现含有水蒸气的间歇泉呢？人们不禁联想到液态水。他们猜想，是液态水被地下的热源加热后喷发了出来。

2008年3月，“卡西尼号”从距离土卫二表面50千米的高空以5.15万千米/时的速度飞掠了间歇泉。这次飞行让科学家们发现间歇泉的喷射物中水汽密度很大，还夹杂着大量冰粒。除此之外，还有一些有机物，如甲烷和丙烷等。“卡西尼号”还探测到间歇泉喷出物喷射的速度非常快，可以达到2100千米/时。假若没有地下的液态水，喷出物很难达到这样的速度。

对于地下的热源，科学家们认为很有可能是因潮汐力而形成。所谓潮汐力是一种使天体拉伸和变形的力量，是引力源对一个物体产生引力作用时，作用于该物体各個点上不同的引力。研究人员认为，土卫二在环绕土星运行时，很容易周期性地受到周边天体对其产生的潮汐力的影响，从而使土卫二在环绕土星运行时周期性地发生一定程度的拉伸和变形。导致土卫二表面的冰层发生移动和挤压，从而形成了虎纹状的地形。冰层在移动和挤压的过程中，摩擦碰撞产生了热量，形成了星球内部的热源。在热量的作用下，冰层在融化成液态水的同时也被加热成水蒸气，并通过裂缝被释放出来。与此同时，蒸汽的压力将地下的冰粒推出，从而形成了间歇泉似的冰喷泉现象。

对于间歇泉中的物质研究结果也令科学家们兴奋。例如“卡西尼号”在间歇泉中探测到了钠盐的痕迹，这意味着土卫二的地下水体可能含有盐，类似于地球上的海水。“卡西尼号”上的尘埃探测器还收集了很多由土卫二间歇泉喷出的隐藏在冰晶中的尘埃颗粒。在研究了大量尘埃后，科学家们初步认定，这种类型的尘埃颗粒只能在温度非常高的环境中形成，比如地球海底深处的热液喷口附近。这表明，土卫二的地下海洋可能和地球上的情形一样，也拥有热液喷口。种种迹象表明，土卫二的地下海洋存在生命的可能性是很大的。

最初人们猜想，如果土卫二的地下海洋中存在生命，也可能只是一些微生物。但假如土卫二的海洋里存在热液喷口，那么像蠕虫和贝壳类动物等多细胞的生物体也可能存在。

对于土卫二，科学家们有着很强的探索欲望。人们会在未来继续发射探测器，对土卫二进行下一阶段的研究，寻找土卫二液态水体中的生命也将成为土卫二探索的重要内容。

运行于E 环中的土卫二

至于土卫二上的积雪，也存在着许多有待考证的问题。科学家们发现，如果间歇泉始终以今天这般规模从虎纹状地形的裂缝里喷出物质的话，要积累到如今这般厚度的雪需要45亿年的时间。但45亿年是整个太阳系的年龄，所以科学家们推测，历史上土卫二间歇泉的喷射过程一定非常激烈，喷射的规模也一定比如今大很多，在多年的喷射周期中，规模逐渐减小，最终缩小到如今这般模样。但这仅仅是科学家们的猜想。

土卫二是太阳系中一个典型的冰冻天体。在太阳系之外，这样的冰冻天体还有不少。在未来，人类一定会派着陆器登陆这样的天体。人们知道，虽然冰冻天体的表面被厚厚的冰层或积雪所覆盖，但具体的情况，例如冰层或积雪的厚度、平整度、坚硬度之类的属性却并不明晰，而对这类信息的掌握直接关系到未来的着陆器是否能够在这种天体上成功着陆。所以，研究土卫二表面的积雪不仅对我们认识类似的冰卫星意义重大，而且对未来执行针对冰卫星的太空任务也很有意义。

值得注意的是，土卫二虽然小，却对土星系形成了一定的影响。“卡西尼号”发现，这颗不大的星球会喷射流量达到200千克/秒的物质。这些冰晶物质并非只落到了土卫二上，有些也落到了邻近的土卫一、土卫三、土卫四和土卫五上，还有一些散布在轨道上，形成了土星环的一部分——E环。