美国宇航局科学家证实木卫二上存在水蒸气

左边是1979年3月2日由旅行者1号飞船从290万公里(180万英里)外拍摄的木卫二。下一幅是1979年7月9日旅行者2号飞船近距离接触木卫二时拍摄的彩色图像。右边是木卫二的图像，是由伽利略号飞船在20世纪90年代末拍摄的。
来源：NASA/JPL

40年前，旅行者号宇宙飞船拍摄了木卫二的第一张特写照片，木卫二是木星的79颗卫星之一。这些发现的带褐色的裂缝切割了木卫二表面的冰层，这让木卫二看起来像一个布满血管的眼球。自那以后的几十年里，前往外太阳系的任务已经积累了足够多的关于木卫二的额外信息，使它成为美国国家航空航天局(NASA)搜寻生命的高优先目标。

这颗卫星之所以如此诱人，是因为它可能拥有生命所需的所有要素。科学家有证据表明，其中一种成分——液态水——存在于冰冷的地表之下，有时可能会以巨大的间歇泉形式喷发到太空中。但是没有人能够通过直接测量水分子本身来确认这些羽状物中是否存在水。现在，一个由美国国家航空航天局(NASA)位于马里兰州绿带的戈达德太空飞行中心(Goddard Space Flight Center)领导的国际研究小组首次在木卫二表面探测到了水蒸气。研究小组通过位于夏威夷的世界上最大的望远镜之一在木卫二观测水蒸气。

确认木卫二上空存在水蒸气有助于科学家更好地了解卫星的内部运作。例如，它有助于支持科学家们确信的一个观点，即在卫星几英里厚的冰层下，有一个可能是地球两倍大的液态水海洋。一些科学家怀疑，这些羽状流的另一个水源可能是木卫二表面下不远的浅层融化的水冰。也有可能是木星的强辐射场正在从木卫二的冰壳中剥离水粒子，尽管最近的研究反对这种机制作为观测到的水的来源。

基本的化学元素(碳、氢、氧、氮、磷、硫)和能源是生命的三种必需元素中的两种，它们遍布太阳系。但是第三个——液态水——在地球之外有点难找到，”领导水探测调查的NASA行星科学家卢卡斯·帕格尼尼说。“虽然科学家们还没有直接探测到液态水，但我们已经发现了下一个最好的东西:水蒸气形式的水。”

帕格尼尼和他的团队11月18日在《自然天文学》杂志上发表报告说，他们发现木卫二释放出的水(每秒5202磅，或2,360公斤)在几分钟内就能填满一个奥运会标准大小的游泳池。此外，科学家们还发现，这种水出现的频率并不高，至少其数量足以从地球上探测到。帕格尼尼说:“对我来说,这个工作有趣的不仅仅是上面的第一个直接检测水欧罗巴,也缺乏的限制范围内我们的检测方法。” 帕格尼尼尼:“对我来说，这项工作的有趣之处在于，它不仅是首次直接探测到木卫二上方的水，而且在我们的探测方法范围内也没有直接探测到。”

事实上，帕格尼尼的团队在2016年至2017年的17个夜晚的观测中，仅探测到一次微弱但清晰的水汽信号。在夏威夷休眠的莫纳克亚火山上，W. M. Keck天文台上，科学家们观测到了木卫二的水分子。(与地球的卫星一样，木卫二也受重力作用而与它的主行星锁定在一起，所以前半球总是朝着轨道的方向，而后半球总是朝着相反的方向。)

他们在凯克天文台使用了一个光谱仪，通过它们发射或吸收的红外光来测量行星大气的化学成分。诸如水之类的分子在与太阳辐射相互作用时会发出特定频率的红外光。

水分子与太阳辐射相互作用时发出特定频率的红外光。
来源:Michael Lentz/NASA Goddard

越来越多水的证据

关于最近的水汽探测，在木卫二上有许多诱人的发现。第一个来自NASA的伽利略号宇宙飞船，它在1995年到2003年期间测量了木星在木卫二附近的磁场扰动。这些测量结果向科学家们表明，在木卫二的冰层下，可能是一片含盐的海洋，导电液体造成了磁干扰。当研究人员在2018年更仔细地分析这些磁场扰动时，他们发现了可能存在羽流的证据。

同时，科学家在2013年宣布，他们已经使用美国宇航局的哈勃太空望远镜检测了木卫二大气中呈羽状结构的氢（H）和氧（O）的化学元素-水的成分（H2O）。几年后，其他科学家利用哈勃望远镜捕捉到了可能羽状流爆发的更多证据，当时他们捕捉了当木卫二经过木星前时轮廓上出现的手指状投影的照片。

洛伦兹·罗斯说：“这是首次在木卫二上直接鉴定出水蒸气，这是对我们最初发现的原子种类的重要证明，它突显了这个冰冷世界上大型羽状物的稀疏性。” 他是来自斯德哥尔摩KTH皇家理工学院的天文学家和物理学家，他领导了2013年的哈勃研究，也是最近这项研究的合著者。

罗斯的研究，以及之前木卫二的其他发现，只测量了地表上的水成分。问题是在其他星球探测水蒸气是一项挑战。现有的宇宙飞船探测它的能力有限，科学家们使用地面望远镜在深空寻找水，必须考虑到地球大气中水的扭曲作用。为了最小化这种影响，帕格尼尼的团队使用复杂的数学和计算机模型来模拟地球的大气条件，这样他们就可以根据凯克光谱仪传回的数据来区分地球大气中的水和木卫二的水。

“我们进行了认真的安全检查，以除去地面观测中的可能污染物。” 帕格尼尼团队的戈达德行星科学家阿维·曼德尔（Avi Mandell）说，“但是，最终，我们必须更接近木卫二才能了解实际情况。”

科学家们很快就能接近木卫二，以解决他们关于这个可能适合居住的星球的内部和外部运行机制的悬而未决的问题。即将到来的木卫二快速帆船(Europa Clipper)任务预计将于本世纪20年代中期发射，它将为半个世纪以来的科学发现画上圆满的句号。

当它到达木卫二时，Clipper轨道飞行器将对木卫二的表面、内部深处、稀薄的大气、地下海洋以及可能更小的活动喷口进行详细的调查。Clipper将尝试拍摄任何羽状物的图像，并用它的质谱仪对在大气中发现的分子进行采样。它还将寻找富有成果的地点，未来的木卫二登陆器可以从中收集样本。这些努力将进一步揭开木卫二的秘密及其生命潜力。

帕格尼尼团队中的其他戈达德研究人员包括杰罗尼莫·维拉纽瓦、迈克尔·穆马和特里·赫福德。西南研究所的库尔特·雷瑟福也参与了这项研究。