木星

在这张NASA卡西尼号探测器拍摄的图像中，阳光照射到土卫六北极附近的液态甲烷湖泊上，并反射了回来。 图片来源：NASA /加州理工学院-喷气推进实验室/亚利桑那州立大学/爱达荷大学（University of Idaho） 利用美国航空航天局（NASA）卡西尼号土星探测任务的数据，天文学家首次绘制了土卫六（Titan，又称“泰坦”）的全球地质图，揭示了土星这颗最大卫星的地形多样性，包含了沙丘、湖泊、山脉、平原、陨石坑以及其他多种地形地貌。 除了地球之外，土卫六是我们太阳系中唯一已知的表面存在稳定液体的行星体（planetary body，太阳系中所有地质情况与行星相同或相似的二级星体，包括行星、矮行星或质量与行星相当的卫星）。与地球上形成湖泊和海洋的情况不同，土卫六上降下的不是来自云层的液态雨水，而是液态的甲烷和乙烷，这两种碳氢化合物在地球上通常以气体形式存在，但在土卫六寒冷严酷的气候下却变成了液体。 行星地质学家罗莎莉•洛佩斯（Rosaly Lopes）说：“土卫六的水文循环（hydrologic cycle）以甲烷为基础，性质非常活跃，在土卫六上形成了一个复杂的地质景观，使这颗卫星成为了太阳系中表面地质多样性最为突出的星体之一。土卫六有着像地球一样的大气层；它有风、有雨，还有山。这是一个非常有趣的世界，也是在太阳系中寻找地外生命的绝佳位置之一。”洛佩斯是绘制土卫六地图新研究的主要作者，就职于加利福尼亚州帕萨迪纳市的NASA喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）。 “尽管在物质材料、温度和重力场方面，地球与土卫六之间都有所不同，但这两个星球的表面特征却拥有诸多相似之处，可以解释为同类型地质过程的产物。土卫六的全球地图显示，在整颗星球的范围内，不同的地质地形具有清晰的纬度分布，并且，某些地形在土卫六上的覆盖范围远比其他地形要多得多。” 土卫六的第一张全球地质图，图上标出了一些已经命名的表面地质特征，数据来源于NASA卡西尼号任务的雷达图像和可见光图像。卡西尼号于2004年至2017年围绕土星飞行。 图片来源：NASA /加州理工学院-喷气推进实验室/亚利桑那州立大学 这张全球地图显示，土卫六表面几乎有三分之二的区域是平坦的平原；17％被风塑造的沙丘所覆盖，大部分位于赤道附近；有大约14％的区域被归类为“丘陵地带”（hummocky），即丘陵或山区；还有大约1.5％被称为“迷宫”地带，布满了被雨水和风化蚀刻的山谷；令人惊讶的是，土卫六表面的陨石坑非常少，表明这颗卫星的“面庞”还相当年轻。 洛佩斯和她的团队，包括喷气推进实验室的迈克尔•马拉斯卡（Michael Malaska），与她的行星地质学家同事、来自位于坦佩的亚利桑那州立大学（Arizona State University）地球与太空探索学院的大卫•威廉姆斯（David Williams）合作完成了这项研究。他们的相关发现（包括土卫六地质地形的相对年龄）于11月18日发表在《自然•天文学》（Nature Astronomy）杂志上。 2004年至2017年，NASA的卡西尼号土星探测器在围绕土星运行期间，飞越了120颗大小与水星相当的卫星，收集了大量有关土星这颗气态巨行星（gas giant）及其卫星的宝贵数据。在飞掠土卫六表面的100多次经历中，卡西尼号让研究人员能够透过它浓厚的大气瞥见这颗卫星的真容，观察到表面地形地貌的诸多细节。 彩色球形的土卫六正从土星及其环前经过，NASA的卡西尼号探测器在2011年拍摄了这张真彩色照片。 图片来源：NASA /加州理工学院-喷气推进实验室/空间科学研究所（Space Science Institute） 在这次的研究中，洛佩斯团队使用的正是卡西尼号的数据，更确切地说，是来自卡西尼号雷达成像仪（radar imager）的数据，雷达成像仪在飞行期间穿过了土卫六富含氮气和甲烷的不透明大气环境。此外，该团队还使用了卡西尼号的可见光和红外光仪器探测的数据，这些仪器能穿透甲烷迷雾，捕获土卫六表面一些范围较大较明显的地质特征。 “这项研究是一个结合数据集和工具使用的绝佳范例，”洛佩斯说道，“尽管我们没有使用合成孔径雷达（synthetic aperture radar，SAR）进行全球覆盖，但我们使用了来自其他仪器和雷达的其他数据模式，对不同地形单元的特征进行关联，因此即使是那些没有被SAR覆盖的区域，我们也可以推断出它们的地形地貌。” 威廉姆斯与喷气推进实验室团队合作，首先使用雷达图像，然后将这些单元图像外推到雷达未能覆盖的区域，从而确认出土卫六上有哪些地质单元的地形地貌是可以确定的。为此，威廉姆斯积累了足够的经验：借助NASA麦哲伦号金星轨道探测器（Magellan Venus）的雷达图像，以及他此前绘制的土卫六部分区域地质图。 “卡西尼号飞行任务揭示了一个重要的事实，那就是土卫六是一个地质上非常活跃的世界，甲烷和乙烷等碳氢化合物在土卫六上承担着水在地球上的作用，”威廉姆斯说，“这些液态的碳氢化合物降落在土卫六表面，流动形成小溪与河流，累积形成湖泊与海洋，还会蒸发回到大气之中。这是一个多么令人震惊的世界啊！” 除了土卫六之外，天文学家已经为许多其他卫星和行星绘制了地质图，包括我们的月球、火星和水星。纽约布法罗大学（University at Buffalo）的行星地质学家特雷西•格雷格（Tracy Gregg）表示，这种地质图是“一种非常强大的工具”，将使科学家能够回答有关土卫六的许多关键问题。“其中之二就是：土卫六经历了哪些季节性的变化？土卫六内部的热量可能会导致什么样的变化？”格雷格说道。 比如说，土卫六的大部分湖泊都位于北极附近，科学家认为这是因为土星绕太阳的椭圆轨道使土卫六北半球经历的夏季比南半球更长，而夏季又是液态甲烷和乙烷降落并聚集于地面的季节。 NASA计划在2026年发射“蜻蜓”（Dragonfly）任务，并让这架大型无人机在2034年抵达土卫六。“蜻蜓”将进行多次飞行，对土卫六上的多个不同地点进行研究。但目前为止，还没有机构计划将更多的轨道飞行器送往土星或它的卫星，因此在可预见的将来，这张地质图很可能仍是我们对土卫六的最佳全球视图。 卡西尼－惠更斯号（Cassini-Huygens）飞行任务是NASA、欧洲空间局（European Space Agency，ESA）和意大利航天局（Italian Space Agency）的合作项目。NASA的喷气推进实验室行政上从属于帕萨迪纳市的加州理工学院（Caltech），负责管理NASA在华盛顿科学任务理事会（Science Mission Directorate）的研究任务。喷气推进实验室设计、开发并组装了卡西尼号轨道飞行器，雷达仪由喷气推进实验室和意大利航天局制造，由来自美国和几个欧洲国家的团队成员一同负责。 参考来源： [1] https://www.nasa.gov/feature/jpl/the-first-global-geologic-map-of-titan-completed [2] https://www.nature.com/articles/d41586-019-03539-8 [3] https://www.nature.com/articles/s41550-019-0917-6 [4] https://en.wikipedia.org/wiki/Planetary_body [5] https://solarsystem.nasa.gov/moons/saturn-moons/titan/in-depth/ [6] https://solarsystem.nasa.gov/cassini [7] https://www.nature.com/articles/d41586-019-02027-3

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。 来源：NASA Goddard 来源： https://www.nasa.gov/feature/goddard/2019/nasa-scientists-confirm-water-vapor-on-europa