土卫二海洋或富含磷元素，地外生命探索迎来新飞跃？

文/兰顺正

▲ 卡西尼号探测器拍摄的土卫二

2023 年6 月，英国《自然》杂志发布的报告显示，有科研团队研究分析了卡西尼号探测器收集的土星卫星土卫二附近E 环中粒子的化学成分，发现E 环中的冰粒富含磷酸钠，由于这些冰粒很可能是从土卫二内部海洋喷射到太空中的，所以这预示了土卫二内部海洋可能存在高浓度的磷元素，这是否意味着人类在太阳系中寻找地外生命的工作迎来了“巨大的飞跃”？

内藏液态海洋的“冰球”

从古至今，外星生命的话题从来没有停止过，而土卫二则是近年来科学界的关注对象之一。土卫二是土星的第六大卫星，也是太阳系中最亮的卫星，在1787 年被威廉·赫歇尔利用自己制作的1.2 米望远镜发现。土卫二运行在土星E 环最稠密的部分，平均直径为505 千米，只有月球直径的七分之一，在平均距离土星23.8万千米的椭圆形轨道上运行，轨道面位于土星的公转轨道平面内，绕行周期为1.37 天。由于固态冰在土卫二上大面积存在，使其成为了太阳系反射率最大的天体，几乎能反射百分之百的阳光，因此它也是一颗寒冷的星球，其地表的夜间温度仅为-198℃，较其他土星卫星更冷。同时，一般情况下这样大小的卫星通常无法在内部存储或产生足够的热量，所以土卫二之前被认为应该是一个完全被冻结的固体，但是后来的观测与研究表明事实并非如此。

1981 年8 月，旅行者2 号探测器在人类历史上首次近距离观测了土卫二，而目前人类对于土卫二的了解则主要来自于卡西尼-惠更斯号土星探测器。该探测器是美国宇航局、欧空局和意大利宇航局的一个合作项目，于1997 年10 月15 日发射升空，2004 年7 月抵达土星轨道，同年12月25 日“卡西尼号”和“惠更斯号”分离。次年1 月14 日，“惠更斯号”成功着陆土卫六并传回数据；而“卡西尼号”则在轨运行了13 年，传回了大量数据。

2010 年2 月英国《每日电讯报》报道，“卡西尼号”在飞越土卫二时探测到了带负电的水分子，这是后者地下有水的明显迹象。化学研究揭示，水分子是由两个氢原子和一个氧原子结合而成的，共有10 个带正电的质子、10 个带负电的电子、10 个不带电的中子。在正常情况下，水分子中正负电量相等。当水分子遭遇摩擦、受热和化学变化等原因而失去一部分电子时，就带正电，称为正离子或阳离子；获得额外电子时，就带负电，称为负离子或阴离子。水分子失去或获得电子后所形成的带电粒子统称为离子。在地球上，这种短期存在的离子处于运动状态的液态水中，例如瀑布或者发生撞击的海浪中。而“卡西尼号”既然在土卫二周围捕捉到了水分子的负离子，那就证明该天体上存有液态水。

▲“卡西尼号”于2015 年拍摄的土卫二表面照片

▲ 卡西尼-惠更斯号土星探测器

▲“卡西尼”号拍摄的土卫二南极的“虎斑”地形

之后，天文学家又利用“卡西尼号”2010—2012 年期间3 次近距离观测土卫二获得的数据，分析确定了土卫二的引力场。研究发现，土卫二的引力场存在“引人注目的不对称性”，其中南极的引力较弱，但又大于根据其地形计算得出的数值。他们认为，“起到弥补性作用”的是南极表面下的液态水，因为水的密度大于冰，形成的引力也大于冰。进一步的分析认为，该“地下海”位于土卫二南极30～40 千米厚的表面冰层之下，其深度约为10 千米，并延伸至南纬50 度左右。

有观点认为，土卫二存在地下液态水海洋的主要原因是潮汐加热。当土卫二绕土星运动时，由于绕行轨道具有偏心率，土星的引力会周期性地将土卫二“搓扁捏圆”，导致其内部受到“挤压拉扯”而产生大量且持续的热能。此外，由于土卫二形状不规则，土星引力会对其产生一个净力矩而迫使土卫二发生摆动，这也会在土卫二内部产生大量热，这股热量主要集中在南极地区。科学家通过模型模拟这种引力摄动，发现这种摆动对应的表面最大应力范围正好与南极区域一致。

2017 年11 月，法国南特大学的行星科学家盖尔·乔布雷特团队作出一种假设——土卫二的岩石核心是具有高孔隙率的，且是松软的，类似海绵状的核心。它在土星潮汐引力的作用下，会产生持续且稳定的摩擦热（潮汐加热是一个比较稳定的加热过程，如果岩石核心的岩浆粘稠，则潮汐引力产生更多的摩擦热，如果温度升高，岩石核心的岩浆容易流动，潮汐引力产生摩擦热则减少）。而之后喷气推进实验室的丹尼斯·马特森博士等人引进了一个新的模型，该模型认为除了潮汐加热外，土卫二的热量还来自于放射性衰变放热。通常认为放射性衰变会在太阳系形成后不久就损失掉大部分热量，但土卫二由于某种原因保留了这些热量。该模型还预言了土卫二目前仍处于一个冷却阶段，可能会持续10 亿年左右。

生命要素齐聚带来新希望

鉴于土卫二的特殊环境，一直就有科学家假设其上存在着生命，但“七巧板”却始终少了一块。在此前的研究中，科学家已经在土卫二海水中发现了丰富的碳、氢、氧、氮和少量的硫，以及多种多样的有机物质，但对于生命六大基本构成元素之一的磷仍然没有相关报道。据悉，磷组成了所有生命的“能量货币”，是创造DNA和RNA、生物膜、人和动物的骨骼与牙齿必不可少的材料，磷的匮乏被认为是限制生命起源和现代生物规模的关键。

▲ 土卫二南极冰层下存在“地下海”示意图

在2022 年10 月，中国科学技术大学地球和空间科学学院研究员郝记华与美国西南研究院研究员克里斯托弗·格莱因等学者合作，构建理论模型模拟土卫二海水化学，首次揭示了在土卫二海水中可能含有丰富的磷元素，供给可能存在的地外生命，该相关研究成果发表于美国《国家科学院院刊》。而此次《自然》杂志发表的研究结果进一步巩固了这一论断。由于内部的火山活动，土卫二南极地带不时会喷发出气流，约500 千米高，气流的主要成分包括细碎的冰屑、尘粒以及水蒸汽等，其中冰屑等物质还是土星E 环主要成份来源之一。因为在E 环中的冰粒中发现了磷酸钠，相关科研团队估计土卫二地下海洋可能富含磷元素，浓度约为每千克1～20毫摩尔，至少是地球海洋磷浓度的100 倍。而随着生命六大基本构成元素的齐聚，无疑会将土卫二生命探索再次推向一个新高度，对于人类未来的太空移民也具有重大的意义。

不过应当看到的是，土卫二地下海洋富含磷元素这一消息或许是把“双刃剑”。因为丰富的磷是有利于孕育生命，但考虑到在地球的海洋中，正是由于大量的生物存在使得海洋中的磷被消耗到一个很低的浓度，所以土卫二液态水海洋中的磷含量如此之高反而可能在暗示土卫二上根本就没有生命或生命只能以非常缓慢的速度代谢。同时，此次探测到的磷酸盐来自土星的E 环，并非直接来自于土卫二海洋的羽流喷射或者土卫二地表，因此本着科学的态度，人类对此仍需保持谨慎。

▲土卫二结构示意图

▲ 土卫二海洋的羽流喷射示意图