|
本文原載于《環(huán)球科學(xué)》 撰文?馬吉·麥基（Maggie Mckee） ? 翻譯?部德福 自哥白尼推翻“地心說”以來，研究人員就認為，我們所處的時間和空間在宇宙中并不“特別”。天文觀測者現(xiàn)在看到的時空，從幾十億年前就是這樣，而且還將持續(xù)幾十億年。 然而，過去幾年，對太陽系中較遠地方的觀測，正在挑戰(zhàn)這種觀念。木星的衛(wèi)星木衛(wèi)一（Io）、土星的衛(wèi)星土衛(wèi)六（Titan）和土衛(wèi)二（Enceladus）正在發(fā)生變化，而人類則非常有幸能見證這一變化。對于土星明亮的光環(huán)來說，也是如此。土星的明亮光環(huán)可能是最近才形成的，隨著時間的推移可能會變暗。這種變化使得研究行星的學(xué)者難以接受，因為從統(tǒng)計上來說，人類幾乎不可能見證到這種不尋常的變化。 這種變化也違背地質(zhì)學(xué)的一個基本原理——均變論。均變論認為，行星的改變是一種持續(xù)的、逐漸的變化。美國航空航天局艾姆斯研究中心的行星科學(xué)家杰夫·摩爾（Jeff Moore）說，“地質(zhì)學(xué)家喜歡認為事物還是以前的事物”。他還說：“對于人類來說，不變的世界可以讓人不用認為，自己生活在特殊的時代?！?/p> 但證據(jù)讓科學(xué)家難以接受。因為，宇宙可能正在上演壯麗的奇觀。 土星環(huán) 長期以來，科學(xué)家一直認為，土星環(huán)形成于40億年前，即土星形成后不久。土星環(huán)可能是被撕裂的衛(wèi)星的明亮遺跡，也可能是一個彗星被巨行星的引力撕裂后的遺跡。 但是，一些行星科學(xué)家認為，土星環(huán)的明亮不可能持續(xù)幾十億年的時間。這是因為，土星環(huán)90%的成分是冰，彗星和小行星拋出的碳質(zhì)塵埃會污染土星環(huán)。因此，隨著時間的流逝，土星環(huán)將會變暗。美國航空航天局艾姆斯研究中心的行星科學(xué)家杰夫·庫茲（Jeff Cuzzi）說:“如果觀測木星、天王星還有海王星的環(huán)，你會發(fā)現(xiàn)，它們都比較暗。這是可以預(yù)見到的，因為這些環(huán)正在遭受‘污染’。” 土星的B環(huán)（左）很亮，以至于很多研究人員猜測它很年輕。 在庫茲看來，土星環(huán)非常明亮的事實說明，這個環(huán)是在僅僅幾億年前，因為某種天體在土星周圍被撕裂而形成的——這個天體可能是遠道而來的冰體，也可能是土星自身的一顆巨大衛(wèi)星。接下來，土星環(huán)會慢慢變暗，庫茲說。 但是這種說法也存在問題。那些可以形成行星環(huán)、到處橫沖直撞的大型天體，在太陽系形成的最初7億年間可能比較常見，但在此之后，這樣的天體就很少見了。所以，10億年前，這種大型天體經(jīng)過土星的幾率很小。而且，如果土星的一顆衛(wèi)星大得可以形成土星環(huán)，那就很難解釋，在這個時間段里，這顆衛(wèi)星怎么會如此靠近土星。 還有另外一種可能性。土星環(huán)形成于幾十億年前，但因為某種機制，它一直像現(xiàn)在這樣明亮。如果土星環(huán)的質(zhì)量比現(xiàn)在的質(zhì)量大十倍以上，這種可能性是存在的。因為，相對于土星環(huán)來說，碳質(zhì)塵埃的質(zhì)量太小了，不足以污染土星環(huán)使其變暗。“如果你有一點黑色涂料，將這點黑色涂料放入1加侖（1加侖約等于3.8升）白色涂料，白色涂料將會變得很黑”，庫茲說，“但是，將這點黑色涂料放入一個游泳池，游泳池的顏色將不會發(fā)生變化。 ” 美國西南研究所主管行星科學(xué)研究的副主席羅賓·坎努普（Robin Canup）非常傾向于這種解釋：“據(jù)我所知，對于土星環(huán)是最近形成的這種說法，并沒有合理的解釋?！?/p> 但是，目前沒有發(fā)現(xiàn)這些質(zhì)量大得多的物質(zhì)在哪里。這些物質(zhì)可能隱藏在最大的環(huán)——B環(huán)——的后面。由于B環(huán)透明度極低，因此，科學(xué)家目前還不能利用光線的通過情況，來研究B環(huán)里面的成分。這個問題的答案，可能很快會由從2004年就開始環(huán)繞土星運行的“卡西尼”號探測器揭曉。2017年，“卡西尼”號探測器將在它生命的最后時刻，進入土星最里面的D環(huán)。通過比較該探測器在不同軌道上的運行情況，將會以前所未有的精度得知土星環(huán)的質(zhì)量。 但坎努普警告說：“如果‘卡西尼’號探測器告訴我們，土星環(huán)的質(zhì)量很小，我們將會面臨一個難題?！?/p> 土衛(wèi)二 土衛(wèi)二是一顆美麗的衛(wèi)星。當(dāng)它環(huán)繞土星運行時，它的南極會拋灑水蒸氣流，從而形成一個美麗的冰尾巴——E環(huán)。土衛(wèi)二噴出熱量的功率為160億瓦特，而土衛(wèi)二內(nèi)部放射性物質(zhì)的衰變，以及土星潮汐力所產(chǎn)生的功率，僅為土衛(wèi)二噴出功率的10%。科學(xué)家非常好奇，土衛(wèi)二如何能夠保持這種噴灑行為。 針對土衛(wèi)二這種大功率的噴發(fā)行為，科學(xué)家已經(jīng)提出了一些解釋。但所有解釋都有一個假設(shè)，土衛(wèi)二正處在一個特殊時期。澳大利亞麥考瑞大學(xué)的行星科學(xué)家克雷格·奧尼爾（Craig O’Neill）和加利福尼亞大學(xué)圣克魯茲分校的行星科學(xué)家弗朗西斯·尼莫（Francis Nimmo）提出了一種解釋：在過去10億到1億年的時間里，由于土星潮汐力的作用對土衛(wèi)二內(nèi)部張力做功，從而使能量在土衛(wèi)二內(nèi)部積累，這些能量現(xiàn)在足以使土衛(wèi)二的地殼破裂，向太空噴出能量和水蒸氣。 這種噴發(fā)行為只能持續(xù)一千萬年，到時土衛(wèi)二地殼將會冷卻。然后，能量又會在土衛(wèi)二內(nèi)部重新聚集，從而開始一個新的循環(huán)。奧尼爾在一個會議上闡述這種解釋時，遇到了批評，他回應(yīng)說：“土衛(wèi)二的噴發(fā)行為處于一個循環(huán)中，我們正好趕上了它的噴發(fā)期?！彼€指出，這種循環(huán)就像美國黃石國家公園里的間歇性噴泉一樣，只不過土衛(wèi)二噴發(fā)行為的循環(huán)周期要長得多。 這種周期性的噴發(fā)行為，也可以用來解釋另外一個問題，那就是為什么土衛(wèi)二表面不同地方的年齡，看起來差別很大。土衛(wèi)二表面有些地方因為火山噴發(fā)而造成了凹痕，而有些地方看起來是新形成的地殼。這種現(xiàn)象也存在于其他衛(wèi)星，包括木星的巨型衛(wèi)星木衛(wèi)三（Ganymede）和天王星的小衛(wèi)星天衛(wèi)五（Miranda）。如果這些衛(wèi)星也經(jīng)歷過周期性的噴發(fā)過程，那土衛(wèi)二就不是那么特別了。在任何時期，它們中至少總有一個處于活躍期，奧尼爾說道。
如果上面的解釋行得通，那么就存在另外一個難題。土衛(wèi)一（Mimas）離土星的距離比土衛(wèi)二近得多，受到來自于土星的潮汐力也大得多，但沒有證據(jù)表明，土衛(wèi)一也存在這樣的周期性活動。尼莫猜測道，一種可能性是因為土衛(wèi)一的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和土衛(wèi)二差別很大，土衛(wèi)一的內(nèi)部物質(zhì)很難被擠壓或者拉伸，因此能量不能在土衛(wèi)一內(nèi)部積累。他說：“土衛(wèi)一的內(nèi)部應(yīng)該能聚集比土衛(wèi)二內(nèi)部更多的能量，但是事實并非如此，這個問題的確切答案，我們目前還不知道?！?/p> 2015至2017年，“卡西尼”號探測器將會拍攝土衛(wèi)二南極的很多照片，這將為我們提供其他線索，以更準(zhǔn)確地估計土衛(wèi)二的能量噴出功率。 木衛(wèi)一 就熱量而言，與木衛(wèi)一這個熔爐比起來，土衛(wèi)二就像個螢火蟲。作為太陽系內(nèi)火山活動最強的天體，木衛(wèi)一有上百種火山特征。木衛(wèi)一的火山活動可以向太空噴出長達500千米的帶狀硫磺和二氧化硫，這個距離比從地球到空間站的距離還要遠。木衛(wèi)一的熱量噴出功率為9萬億瓦特，這比木衛(wèi)一由于受到木星的潮汐力而產(chǎn)生的功率大好幾倍。對于這個問題，美國加州理工學(xué)院的行星科學(xué)家戴維·史蒂文森（David Stevenson）說道：“木衛(wèi)一的火山活動有些時期比較活躍，而其他時期則不太活躍?！?/p>
一種可能的解釋是，木衛(wèi)一的軌道在發(fā)生周期性變化。受到木衛(wèi)二（Europa）和木衛(wèi)三（Ganymede）引力的影響，木衛(wèi)一圍繞木星的軌道有一點偏心率。就像踉踉蹌蹌的小孩子一樣，木衛(wèi)一環(huán)繞木星運行一周的過程中，總會受到其他兩顆衛(wèi)星引力的推動，這使得木衛(wèi)一的軌道不是正圓軌道。這種偏心軌道會加劇木衛(wèi)一由于受到潮汐力而發(fā)生的變形，每轉(zhuǎn)一周，木衛(wèi)一的表面將會變形約10米。表面變形時，會產(chǎn)生摩擦。這種由于表面變形摩擦而產(chǎn)生的能量，正是通過火山噴發(fā)的形式釋放了出來。 在這個過程中，木衛(wèi)一的軌道運行能量被提取了出來，因此，木衛(wèi)一不可能跑到離開木星更遠的地方去。軌道能量不斷變成熱能，最終，木衛(wèi)一的軌道將會變得非常圓。軌道變圓的情況下，木衛(wèi)一受到的潮汐作用會弱化，它將會冷卻下來。然后接下來的幾百萬年中，木衛(wèi)二和木衛(wèi)三的引力作用會將木衛(wèi)一推入另一個偏心率比現(xiàn)在大幾倍的軌道，循環(huán)又開始了，史蒂文森說道。 巴黎天文臺的行星科學(xué)家瓦萊里·萊內(nèi)（Valery Lainey）同意這種觀點——木衛(wèi)一的軌道在發(fā)生周期性變化。對木衛(wèi)一超過一百年的觀測也支持這種觀點。觀測發(fā)現(xiàn)，木衛(wèi)一的軌道正變得越來越圓。如果這樣，木衛(wèi)一猛烈的火山活動也可能正處于衰退期。 這種軌道變化是符合大自然規(guī)律的，史蒂文森說道。盡管宇宙中的周期性變化事件非常常見，但木衛(wèi)一的變化太劇烈了，像土衛(wèi)二一樣，“我們可能并沒有真正理解它們”。 土衛(wèi)六 2005年，當(dāng)“卡西尼”號探測器向土星的最大衛(wèi)星（土衛(wèi)六）的大氣層投下了惠更斯探測儀后，探測儀發(fā)現(xiàn)了一塊帶有彎曲河槽的地形。土衛(wèi)六的河槽很像地球上的河槽，但它有一個大幅扭曲的地方。沖刷河槽表面的液體是甲烷，這些甲烷來自土衛(wèi)六的大氣層——碳氫化合物云。然而，甲烷大氣對陸地的影響應(yīng)該是短期的。太陽光將會使甲烷分解，促使化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，生成較重的碳氫化合物，這將會使土衛(wèi)六的大氣層在幾千萬年的時間里耗盡。土衛(wèi)六現(xiàn)在正處在這樣一個階段：大氣層的甲烷成分剛被補充，或正處于被補充的過程中。 “卡西尼”號探測器發(fā)現(xiàn)了許多冰火山，這些火山從土衛(wèi)六內(nèi)部噴出甲烷。衛(wèi)星內(nèi)部放射性元素的衰變，以及潮汐力做功產(chǎn)生的能量，可能是驅(qū)動火山噴發(fā)的能量。這種火山的候選者之一，是迄今知道的土衛(wèi)六最高的山——Doom Mons，該山靠近土衛(wèi)六最深凹陷的地方。美國航空航天局噴氣推進實驗室的行星科學(xué)家羅莎麗·洛普（Rosaly Lopes）說道，那個地方的沉淀物來自于火山噴發(fā)出的甲烷泥漿。 摩爾堅持另一個觀點，甲烷河流的碰撞和侵蝕造就了這種火山地形。他認為土衛(wèi)六正處于一個獨一無二的地質(zhì)時期。在他看來，直到幾千萬年前至幾億年前，甲烷和氮氣——土衛(wèi)六大氣層的主要成分——還被凍結(jié)在土衛(wèi)六的表面。在那個時候，太陽已經(jīng)歷了46億年的演化，開始變熱，于是土衛(wèi)六表面的冰開始升華，并在百萬年的時間內(nèi)形成了富含甲烷的大氣。
甲烷開始在大氣中凝結(jié)，并以“下雨”的方式落向土衛(wèi)六表面，形成了現(xiàn)在的地形，摩爾說道。逐漸地，太陽使甲烷分解，變成更重的碳氫化合物，“雨”消失了。再過4 000萬年后，摩爾說，甲烷可能徹底消失，土衛(wèi)六會恢復(fù)這樣一種場景——淡紅色的碳氫化合物覆蓋在星球表面，上方則是藍色的、充滿氮氣的天空。 美國約翰斯·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實驗室的拉爾夫·洛侖茲（Ralph Lorenz）認為，摩爾的想法過于簡單。拉爾夫說，有證據(jù)表明，大氣中的甲烷從變成碳氫化合物，再沉積到覆蓋土衛(wèi)六20%表面的山丘中，可能花了幾十億年的時間。如果事實確實如此，那么液體甲烷存在的時間相當(dāng)于土衛(wèi)六存在的時間。 “卡西尼”號探測器的進一步觀測將告訴我們，在幾年的時間尺度上，土衛(wèi)六的表面變化了多少。這將幫助科學(xué)家更精確地估計甲烷“雨”到底沖刷了星球表面多長時間。 “我認為，隨著時間的變化，我們會對土衛(wèi)六有更多新的認識，”洛侖茲說，“土衛(wèi)六可不是一個簡單的家伙。” |
|
|
