木卫二，从水到生命还有多远

宋丽丽

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在这幅由“伽利略”号宇宙飞船拍摄的木卫二拼接影像里，可见到数片明亮的水冰、平原、伸展至远方地平线的裂缝以及可能混杂着冰和尘土的暗斑。在日夜交界线附近的高突结构，因为投射出暗影而变得鲜明易辨。为验证这个海洋可能孕育有生命的传说，欧空局已着手进行木星冰质卫星探测器的先期规划工作，预计在2022年发射探测船进一步探测木星，并以木卫二为探索的重点。

有水的地方就可能有生命存在，如果我们想知道人类在宇宙中是否孤独，就要去探索宇宙中是否有其他星球像地球一样有海洋、河流存在。2013年12月，一道羽状喷泉在木卫二的冰壳表面喷出，美国的哈勃望远镜正好观测到了。这一发现立刻引起了科学家的极大兴趣，也让木卫二再次成为探索地外生命的热门星球。

欧罗巴的水

水可以完美地维持生命，大多数科学家认为，地球上最早的生命是在水中孕育产生的。当然，也可能有其他承载生命的形式存在，比如硅基，但生物学家大多认为，地外生命可能会以水和碳为基础形成。很多星球有水存在，但是拥有大量液态水的星球却不多。木卫二又名欧罗巴，是木星67颗卫星中的一个，体积同月球差不多，曾经被认为同月亮一样，是个荒凉的星球。20世纪70年代，美国航空航天局的一系列无人太空船逐步揭开了木卫二的神秘面纱。木卫二的表面由一层厚厚的冰壳覆盖，陨石坑很少。像月球一样，木卫二也是被潮汐锁定的星球，它的一面永远朝向木星。而潮汐力会使木卫二内部产生热量，可能会使其内部的水保持液态。通过对其地表形貌的分析，科学家推测，这个相对年轻的白色冰冻星球下可能有液态海洋存在。

1995年至2003年的“伽利略探测”计划进一步验证了木卫二地下海洋的存在。首先，“伽利略”探测器观测到木卫二表面很多纵横交错的冰层纹理，与漂浮在海洋上的断裂冰层类似。除了对卫星地貌更加详细的观测之外，科学家根据探测器上磁强计的数据，发现木卫二会产生一个弱的扰动磁场。这个扰动磁场是由变化的木星磁场引起的。回想一下中学物理中的楞次定律，我们知道，变化的磁场可以在导体里产生涡旋电流，而涡旋电流则会产生一个反方向的磁场，这个反方向的感应磁场正是“伽利略”号观测到的扰动。这说明木卫二里面有一个导电材料构成的壳层允许电流流动，从而产生扰动磁场。冰和岩石并不是电的良导体，而类似地球海洋的咸水则是不错的导体，所以木卫二的冰层下很可能存在咸水海洋。

科学家虽然推测有地下海洋存在，但缺乏直接证据。2013年12月，借助哈勃望远镜摄谱仪的紫外波段成像，科学家发现木卫二的南极地区存在间歇性喷发的羽状喷泉，水蒸气被喷出，高达200千米。科学家分析，这个“喷泉”主要是氢和氧，而氢和氧通常意味着“水”，所以这次观测的结果可以被理解为稀薄的水蒸气。这个大喷泉可被看作木卫二冰壳下存在巨大液态海洋的最有力证据。据推测，由于木星的卫星碎片击中木卫二的冰层，使其冰壳产生裂缝，在木卫二潮汐力的作用下，这个裂缝被撞开，喷射出下面的水汽。

大量液态水的存在意味着生命的可能。木卫二是继土卫二后太阳系里第二个发现喷泉的星球。由于重力较大，喷出的水蒸气没有逃逸到外太空，而是落回木卫二表面。这意味着我们有可能在木卫二表面采集到样本，以分析其地下海洋的成分，而不一定非要花费大力气钻开厚厚的冰壳。这会为未来的木卫二实地考察大大节省成本。

地表和地下海洋间的物质交换

生命的发展需要能量和物质的交换。人们估计木卫二上的冰层有几十甚至几百千米厚，即使冰层下可能有液态海洋，厚厚的冰层会不会阻碍星球表面与冰下海洋的能量物质交换？科学家对比“旅行者”号和“伽利略”号发回的木卫二地貌照片，发现冰层表面的裂纹发生了很大变化。这表明虽然木卫二表面冰层很厚，其活动却是极其活跃的，它们会相互摩擦碰撞。这可能是邻近的木卫一上的火山活动，或是木卫二上的潮汐力产生的热量导致冰层融化造成的。这种冰层的活跃运动同时也预示着能量和物质可以在地表和地下海洋间交换。

2木卫二喷泉示意图

2013年3月，加利福尼亚州理工大学的天文学家麦克·布朗和美国航空航天局喷气推进实验室的科学家凯文，使用夏威夷毛纳基山的凯克Ⅱ望远镜对木卫二进行了光谱分析，发现木卫二上存在硫酸镁盐。布朗认为，镁不应该存在于木卫二的表面环境，而可能来自海洋，这意味着其表面冰层与下方的咸水海洋存在物质交换。布朗在背向木星的半球发现了硫酸镁的光谱，可能由硫离子和氯化镁组成，而这一半球也是获得木卫一物质最多的区域。因为潮汐锁定的缘故，木卫二永远是同一面朝向木星，而另一面会受到木卫一上硫黄雨的影响。因此，布朗推测，这些硫离子可能来自木卫一，但氯离子和镁离子只可能来自咸水海洋。木卫二表面冰壳下方不断有化学物质渗透流出，说明这个咸水海洋不是一个孤立系统。同时，这也意味着能量可以进入咸水海洋系统，这对产生生命意义非常重大。

得克萨斯州大学奥斯分校的研究人员分析“伽利略”探测器发回的图片，发现木卫二表面有一些大致呈圆形的、崎岖不平的区域。他们将其称为“混沌地形”，进行了一系列理论模拟来解释这种地形的成因，最后认为，这些特别地形下面的冰层可能很薄，冰层下面可能有巨大的湖泊。较薄的冰层有利于地表和地下海洋间的物质交换。2013年，科学家又借鉴地球上两极的冰层地貌和洋流活动，建立了木卫二冰层下的洋流模型。用电脑模拟后，发现上升暖洋流的存在可能使木卫二地表的冰层融化，而后又重新冻结，从而形成崎岖的“混沌地形”。洋流可以把海底营养物质传送到冰壳附近。这些发现告诉我们，木卫二的冰层和冰下海洋可能存在着频繁的能量和物质交换，这为生命的存在提供了有利条件。

有机物从何而来

除了水以外，有机物也是生命形成至关重要的因素。这些有机物通常可以在彗星或小行星上发现。2013年12月，美国航空航天局宣布，在木卫二上首次发现了黏土物质。他们根据1989年“伽利略”探测器拍摄的近红外图像，用新技术进行分析，发现了层状硅酸盐的层状黏土类矿物。这些矿物很可能是彗星或者小行星撞击木卫二留下来的。这些矿物分布在一个直径30千米的陨石坑中。研究人员推断，一颗直径1100米的小行星或一颗直径1700米的彗星撞击木卫二后，在木卫二表面形成一个直径40千米的环形坑。这为之前科学家推测的可能有小行星或彗星撞击木卫二并为其带来有机物，提供了直接的证据。黏土是生命起源过程中复杂生化分子诞生的温床，这一发现揭开了在木卫二上找寻生命的新篇章。

最初，科学家推测，木卫二的地下海洋中可能存在微生物。现在，液态水、黏土物质、矿物质和潮汐热能等的发现带给人们新的希望。科学家猜测，木卫二上可能存在结构相对复杂的生命体，如鱼类或其他食肉动物。人类的无人探测器登陆木卫二估计还要很多年，等不及的读者可以先看看2013年的电影《木卫二报告》来过把瘾。这部吴彦祖主演的科幻电影，运用纪录片的手法描述了人类首次登陆木卫二的惊险故事。

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链接：有水的不光是木卫二

木卫三

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木卫三又称盖尼米德，可能由木星次星云的吸积作用而产生。由于木卫三是紧接木星之后形成的，这时的次星云还比较浓密，所以其吸积作用所耗时间较短。相对较短的形成时间使得吸积过程中产生的热量逃逸较少，这些未逃逸的热量导致了冰体的融化和木卫三内部结构的分化：岩石和冰体相互分开，岩石沉入星体中心形成内核。现在，木卫三的冷却过程仍十分缓慢。从内核和硅酸盐地幔释放出的热量使木卫三上的地下海洋得以存在，同时缓慢冷却的、流动的铁——硫化亚铁内核仍在推动星体内的热对流，并维持磁圈的存在。

木卫四

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木卫四又称为卡里斯托，表面的反照率为20%。天文学家推测，其表面物质构成与整体物质构成大致相同。科学家利用近红外分光仪在1.04微米、1.25微米、1.5微米、2.0微米和3.0微米波长发现了强烈的水冰吸收带。冰普遍存在于木卫四表面，比重在25%至50%。天文学家对“伽利略”号和地基观测站拍摄的高分辨率近红外光谱及紫外线光谱照片进行分析后，发现了多种物质，例如含镁与铁的水合硅酸盐、二氧化碳、二氧化硫，可能还包括氨和多种有机化合物。光谱分析的数据显示，即使在很小的区域内，该天体表面的物质构成也极其复杂。冰构成的小面积明亮斑块与岩石、冰混合物构成的斑块互相混杂，而广大的黑暗区域则由非冰物质构成。