神秘的土衛(wèi)六

□ 問 天

□ 詹 想

神秘的土衛(wèi)六

□ 問 天

太陽系是人類所在的天體系統(tǒng)，由唯一的恒星太陽、八顆大行星、若干矮行星、眾多的小行星、衛(wèi)星和彗星等天體構(gòu)成,它是一個(gè)大家庭。其中，衛(wèi)星是指圍繞行星運(yùn)轉(zhuǎn)的天體。有的行星沒有衛(wèi)星，如水星和金星；有的行星的衛(wèi)星數(shù)目較少，如地球和火星，分別只有一顆和兩顆衛(wèi)星。有的行星則擁有眾多衛(wèi)星，它們各自組成一個(gè)繞行星運(yùn)轉(zhuǎn)的小家庭。例如，截至目前天文學(xué)家觀測(cè)到木星擁有67顆衛(wèi)星，土星擁有62顆衛(wèi)星，天王星和海王星則分別有27顆和14顆衛(wèi)星。新的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，部分矮行星和小行星也擁有繞其運(yùn)轉(zhuǎn)的為數(shù)不多的衛(wèi)星。

在太陽系各行星所擁有的衛(wèi)星中，土衛(wèi)六（又叫泰坦）尤其受人關(guān)注。盡管土衛(wèi)六只是一顆衛(wèi)星，但體積比水星還大，令人刮目相看。它的直徑為5150千米，在太陽系所有衛(wèi)星中排名第二，僅比木衛(wèi)三略小，在土星的62顆衛(wèi)星中它最大，可謂身手不凡。土衛(wèi)六還擁有濃厚的大氣層，大氣的主要成分是氮?dú)?，跟地球大氣相似，這一點(diǎn)引起了天文學(xué)家的廣泛興趣；根據(jù)空間探測(cè)得知，土衛(wèi)六主要有巖石和水冰構(gòu)成。與地球具有如此多的相同之處，因此，對(duì)于土衛(wèi)六人們心中充滿許多遐想。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，土衛(wèi)六也成了人類空間探測(cè)的熱點(diǎn)，它是除月球之外，第二個(gè)被人類探測(cè)器登陸過的衛(wèi)星。

卡西尼號(hào)探測(cè)器拍攝的土星環(huán)、土衛(wèi)十一和土衛(wèi)六，小圓點(diǎn)是土衛(wèi)十一，由于土衛(wèi)六被云層圍繞，所以看上去它朦朦朧朧。

土衛(wèi)六的發(fā)現(xiàn)與探測(cè)

盡管土衛(wèi)六的體積比月亮和水星都大，但是，距離地球和太陽都十分遙遠(yuǎn)，它是夜空中一個(gè)非常暗弱的天體。它的平均視星等為8.4等，無法被肉眼直接看見，但是利用小望遠(yuǎn)鏡或者精良的雙筒望遠(yuǎn)鏡可以觀測(cè)到它。不過，經(jīng)驗(yàn)不足的天文愛好者可能并不容易找到它，原因是土衛(wèi)六處在明亮的土星及其亮環(huán)附近，常被它們的亮光干擾。

1610年，意大利天文學(xué)家伽利略通過改進(jìn)自己的天文望遠(yuǎn)鏡，增強(qiáng)了它的性能，發(fā)現(xiàn)了木星的四顆衛(wèi)星，這件事對(duì)荷蘭天文學(xué)家惠更斯（也是歷史上有名的物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家）給予極大的鼓勵(lì)。1650年前后，惠更斯說服當(dāng)時(shí)身為重要政治人物的哥哥，最終獲得他的支持，建造了一架天文望遠(yuǎn)鏡。從此惠更斯勤勤懇懇地進(jìn)行天文觀測(cè)，功夫不負(fù)有心人，1655年3月25日，他發(fā)現(xiàn)了土星的第一顆衛(wèi)星，也就是土星的最大衛(wèi)星土衛(wèi)六。至2015年惠更斯發(fā)現(xiàn)土衛(wèi)六已整整360年了。

土衛(wèi)六的發(fā)現(xiàn)者，荷蘭天文學(xué)家兼物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家克里斯蒂安·惠更斯。

旅行者2號(hào)探測(cè)器的美術(shù)圖，旅行者2號(hào)于1977年發(fā)射，目標(biāo)是探測(cè)外太陽系和星際空間。

由于土衛(wèi)六距離地球十分遙遠(yuǎn)，并且受到土星及其光環(huán)的不利影響，在它被發(fā)現(xiàn)后的200多年中，人類對(duì)土衛(wèi)六的了解沒有顯著的進(jìn)展。進(jìn)入20世紀(jì)后，隨著天文觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展，天文學(xué)家對(duì)土衛(wèi)六才取得了不少新的認(rèn)識(shí)。1907年，西班牙天文學(xué)家何塞普·科馬斯·艾·索拉（Josep Comas i Solà）觀測(cè)發(fā)現(xiàn)土衛(wèi)六邊緣部分逐漸變暗，這是土衛(wèi)六存在大氣層的證據(jù)。1944年，著名天文學(xué)家柯伊伯利用光譜手段，發(fā)現(xiàn)土衛(wèi)六大氣中含有甲烷。20世紀(jì)70年代，美國國家航空航天局發(fā)射了“先驅(qū)者行星際探測(cè)器-11（Pioneer 11）”和兩個(gè)“旅行者號(hào)行星際探測(cè)器（Voyager 1 and 2）”，2004年美國國家航空航天局聯(lián)合歐洲空間局和意大利空間局，發(fā)射了“卡西尼-惠更斯號(hào)行星際探測(cè)器（Cassini–Huygens）”，這些探測(cè)器能夠近距離接近、甚至登陸土衛(wèi)六，對(duì)其進(jìn)行探測(cè)，獲得了大量寶貴資料。

土衛(wèi)六的運(yùn)動(dòng)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)

土衛(wèi)六在土星的所有衛(wèi)星中體積最大，質(zhì)量也最大，所有其他衛(wèi)星的質(zhì)量加到一起也僅有它的4.2%。土衛(wèi)六圍繞土星公轉(zhuǎn)一周需要15天22小時(shí)，它的自轉(zhuǎn)周期等于公轉(zhuǎn)周期。因此，在它圍繞土星公轉(zhuǎn)的過程中，面向土星的半個(gè)球面始終保持不變，這一點(diǎn)同月球圍繞地球的轉(zhuǎn)動(dòng)過程十分相似，月球也是始終以相同的半球面朝向地球。土衛(wèi)六的公轉(zhuǎn)軌道面接近土星赤道面，兩者夾角很小，只有0.346度，公轉(zhuǎn)軌道近似圓形。

巨大的土衛(wèi)六，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如何？長久以來，人們不得而知。而僅靠地面的觀測(cè)，天文學(xué)家無法進(jìn)行有效的研究，只有在空間飛行器對(duì)其進(jìn)行探測(cè)后，這個(gè)問題才有了初步的結(jié)果。根據(jù)卡西尼號(hào)探測(cè)器的探測(cè)數(shù)據(jù)，科學(xué)家推斷，土衛(wèi)六的內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為化學(xué)組成和物理狀態(tài)不同的幾個(gè)層次。從中心到半徑1700千米以內(nèi)的最內(nèi)層為堅(jiān)硬巖石構(gòu)成的中心球，中心球外是高壓冰層，然后是含有氨的液態(tài)水層，最外是冰殼層，表面之上還有一層厚厚的大氣。

土衛(wèi)六的結(jié)構(gòu)

土衛(wèi)六極區(qū)上空的甲烷云（左圖）和地球極區(qū)上空的云（由水構(gòu)成）（右圖）

土衛(wèi)六的大氣與天氣現(xiàn)象

卡西尼號(hào)探測(cè)器拍攝的土衛(wèi)六照片，土衛(wèi)六大氣層非常厚

在太陽系的所有衛(wèi)星中，唯有土衛(wèi)六擁有特別濃厚的大氣層，這一點(diǎn)其他衛(wèi)星都無法相比。盡管土衛(wèi)六比地球小很多，但是它周圍的大氣比地球還多，大氣質(zhì)量是地球大氣的1.19倍，表面的大氣壓是地球表面大氣壓的1.45倍。由于土衛(wèi)六的引力小，以致它的大氣層延伸的高度更大，也就是它的大氣層更厚。正是由于濃厚的大氣層的存在，在地球上觀測(cè)，土衛(wèi)六可視圓面的直徑比木衛(wèi)三還大，直到1980年旅行者1號(hào)空間探測(cè)器到達(dá)土衛(wèi)六，它的真實(shí)大小才被揭示出來。

根據(jù)空間探測(cè)器的探測(cè)結(jié)果，在土衛(wèi)六大氣的平流層中，氮?dú)獾暮空?8.4%，甲烷占1.4%，氫氣占0.1～0.2%，還有微量的乙烷、一氧化碳、氬氣和氦氣等。根據(jù)卡西尼號(hào)探測(cè)器的觀測(cè)，土衛(wèi)六大氣的轉(zhuǎn)動(dòng)速度比它的表面還快，這一點(diǎn)與金星類似。

土衛(wèi)六距離太陽十分遙遠(yuǎn)，它接收到的太陽輻射僅為地球的1%，因此，土衛(wèi)六的表面溫度很低，約-180℃。土衛(wèi)六大氣中的甲烷是一種溫室氣體，類似地球大氣中的二氧化碳，有利于提高溫度，但是，土衛(wèi)六大氣中的其他霧霾，反射太陽光的能力很強(qiáng)，非常不利于升溫。有趣的是，土衛(wèi)六的大氣上空也出現(xiàn)云層，云層的主要組成為甲烷、乙烷等。有云就可能會(huì)降雨，這是地球大氣層中的規(guī)律，這一點(diǎn)在土衛(wèi)六上也適用，也就是說，土衛(wèi)六的云層也會(huì)產(chǎn)生降雨，不過降到土衛(wèi)六表面的不是雨水，而是甲烷雨。

土衛(wèi)六的表面狀況

土衛(wèi)六上帶有霧霾的大氣非常濃厚，地基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡幾乎看不見它的表面狀況。飛臨土衛(wèi)六的空間飛行器，特別是卡西尼號(hào)探測(cè)器，利用紅外及雷達(dá)觀測(cè)，對(duì)土衛(wèi)六的表面進(jìn)行了探測(cè)，獲得了許多寶貴資料?？偟膩砜?，土衛(wèi)六地表復(fù)雜，受流體作用明顯，地質(zhì)年齡比較年輕，僅僅1億～10億年。土衛(wèi)六表面既有粗糙的區(qū)域，也有平坦的區(qū)域；有的區(qū)域呈現(xiàn)出延長幾百千米的條紋狀結(jié)構(gòu)；土衛(wèi)六表面還有山脈、海洋、湖泊、沙丘和環(huán)形山等地理特征。

在土衛(wèi)六表面，匯聚成土衛(wèi)六的海洋和湖泊的不是水，而是液態(tài)甲烷以及液態(tài)乙烷。多數(shù)湖海分布在兩極地區(qū)，赤道地區(qū)較少。同地球相比，湖海所占的地表面積很小。土衛(wèi)六上面積位列第二的萊支亞海（Ligeia Mare），面積147000平方千米，深度從幾十米到數(shù)百米不等，它包含的甲烷液體可以灌滿三個(gè)北美北部的密歇根湖。土衛(wèi)六上的一些小湖泊非常淺，一般深度不超過10米。

土衛(wèi)六表面的環(huán)形山數(shù)目非常少，而且往往呈現(xiàn)出被腐蝕和被改變的痕跡。比如，具有斷裂不連續(xù)的邊緣山脈，缺少中間凸起，等等。天文學(xué)家推測(cè)，土衛(wèi)六之所以具有稀少的環(huán)形山，原因可能是某種地質(zhì)過程的填充作用以及濃厚大氣的保護(hù)作用。土衛(wèi)六上的山脈又是怎樣呢？2006年卡西尼號(hào)探測(cè)器探測(cè)到一座長150千米、寬30千米、高1.5千米的山脈，位于土衛(wèi)六的南半球，山脈由堅(jiān)硬的水冰構(gòu)成，表面覆蓋著甲烷形成的雪層。此外，多個(gè)空間探測(cè)器的探測(cè)表明，土衛(wèi)六表面可能存在冰火山，不過還需進(jìn)一步的細(xì)致觀測(cè)。

土衛(wèi)六的萊支亞海（Ligeia Mare），面積147000平方千米，位列第二。

左：惠更斯號(hào)拍攝的土衛(wèi)六表面照片，可以看見形狀像石頭的冰塊。

右：對(duì)比地球沙丘地帶（上圖）與土衛(wèi)六上的沙丘地形（下圖）。

21世紀(jì)初期，哈勃望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到跨越土衛(wèi)六赤道的黑暗區(qū)域，天文學(xué)家猜疑這里是海洋區(qū)域?？ㄎ髂崽?hào)探測(cè)器到達(dá)土衛(wèi)六后，對(duì)赤道附近的黑暗區(qū)域進(jìn)行了細(xì)致觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)這里是被沙丘覆蓋的廣闊平原，沙丘的高度達(dá)100米，寬大約1000米，長度可延伸數(shù)十到數(shù)百千米。組成沙丘的不是土壤或碎石，而是被甲烷雨沖刷形成的地表冰層，主要成分是甲烷等有機(jī)物，水的含量較少。

關(guān)于土衛(wèi)六上生命現(xiàn)象的猜想

在過去的探測(cè)中，卡西尼-惠更斯號(hào)探測(cè)器并沒有在土衛(wèi)六上發(fā)現(xiàn)生命痕跡和復(fù)雜的有機(jī)化合物。但是天文學(xué)家認(rèn)為，土衛(wèi)六表面及其大氣的物理狀況跟原始地球的情況類似，特別是它的大氣組成，除了沒有水氣以外，其他組成非常像地球的原始大氣。為此，美國科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室中，模仿土衛(wèi)六的大氣組成，對(duì)其進(jìn)行光化學(xué)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生出許多構(gòu)成生命的化合物，包括核苷酸分子和氨基酸分子等。有趣的是，在上述實(shí)驗(yàn)的啟發(fā)下，有些科學(xué)家設(shè)想，土衛(wèi)六上也會(huì)發(fā)生生命的創(chuàng)生和演化過程，就像早期的地球?？茖W(xué)家們認(rèn)為這一過程可能發(fā)生在土衛(wèi)六表面下氨或水的海洋中。

另一些科學(xué)家則另辟蹊徑，認(rèn)為土衛(wèi)六的生物生活在它的甲烷構(gòu)成的湖泊和海洋里。地球生物吸進(jìn)氧氣，呼出二氧化碳，通過葡萄糖進(jìn)行新陳代謝。土衛(wèi)六上的生物不同于地球生物，它們吸進(jìn)氫氣，呼出甲烷，通過乙炔進(jìn)行新陳代謝。這是一種全新的生物種類，不過這僅僅是科學(xué)家的猜測(cè)。

土衛(wèi)六上，在所有不利于生命存在的障礙中，低溫是最為突出的，土衛(wèi)六表面溫度-180℃，是生物生存難以逾越的障礙。但是科學(xué)家認(rèn)為，在遙遠(yuǎn)的將來，大約50億年之后，當(dāng)太陽變?yōu)橐活w紅巨星時(shí)，巨大的太陽可使得土衛(wèi)六表面的溫度升高，液態(tài)水則可以穩(wěn)定存在，那時(shí)候土衛(wèi)六將成為有利于生物生存的環(huán)境。當(dāng)然，我們可以設(shè)想，到那時(shí)，隨著土衛(wèi)六表面溫度的升高，土衛(wèi)六內(nèi)部冰殼層的融化將極大地改變土衛(wèi)六的表面形態(tài)。根據(jù)惠更斯號(hào)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，人們推測(cè)土衛(wèi)六的形態(tài)和45億年前的地球極其相似，從土衛(wèi)六的目前活動(dòng)狀況來看，如果不出現(xiàn)意外，一種新的類地生命或許將在15億～20億年后出現(xiàn)在土衛(wèi)六上，到那個(gè)時(shí)候，地球生命在太陽系中將不再孤獨(dú)。

（責(zé)任編輯 張長喜）

□ 詹 想