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地球之外,哪里还会有水?

忘记行星吧,太阳系里的多个冰冷的卫星有可能是寻找外星生物的最佳地点。

数十年来,在太阳系里寻找外星生命的研究人员都遵循一条简单的原则:“先找到水”。在地球,水是生命必不可少的物质,水独有的多种特性让那些想寻找外星人的研究人员认为在其他星球情况也是如此。这也是研究人员对火星给予这么多关注的原因。火星的大气层含有水蒸气,在火星北极还有闪闪发亮的冰盖。

液态水是组成生命的必需物质,液态水能很好地存在于火星地表下面,有时也能存在于火星表面,火星地表干涸的河床和湖泊就表明大量液态水曾经存在于火星地表。人类的航天器曾在火山口壁上发现了神秘的黑槽,最近从好奇号探测器传回的结果表明这些黑槽可能是盐水水流,高盐分的盐水能在极低温度下还能保持液态形式。

不论怎样,火星的最好的情况不过是一个沙漠里有几处水洼。在离太阳的更远的位置,有几个低温星球,在他们固体表面之下,看起储存了多达几个海洋的水。即便以空间探索的标准来衡量,这些水距离地球数十亿公里远,无法对其进行直接检测,这是研究上很具挑战性的课题。但研究人员正在准备几个计划来研究这些星球上的水。

5月26日,美国国家航空和宇宙航行局公布了一套为“木卫二大剪刀”计划(Europa Clipper)研制的科学仪器,“木卫二大剪刀”计划(Europa Clipper)是美国国家航空和宇宙航行局的一个20亿的计划,将于本世纪20年代早期启动。虽然计划名称听起来很不错,但这些科学仪器不会运往欧洲海域,而是将发射到木卫二星球,木卫二是木星的一个寒冷的卫星。“木卫二大剪刀”计划有可能找出木卫二水的化学成分,如果条件允许,还能发现这些水的生化成分。

从沙漠到海洋

在火星上,没有在水中找到生化成分,即能形成生命的化学分子的痕迹。四十年前,两台“海盗”探测器在火星着陆,在火星表面采取多份样本进行各种化学测试,以此方式来寻找生命。“海盗”探测器的发现让人沮丧:没有在火星不毛之地找到生命痕迹,但火星看起来具备形成生命的条件。此后,人类发射到火星的人造卫星和科学探测器除了找到一些细菌,在没有发现其他生命的痕迹。

正因如此,研究人员对其他星球上的水产生兴趣,一点也不让人感到惊讶。土卫二是木星的一个小卫星,和木卫二一样,土卫二有着丰富的水资源。土卫二蕴含的水量相当于苏必略湖,而木卫二蕴含的水量超过了整个地球。

听着让人感到奇怪。与火星相比,木星和土星离太阳更远。木卫二的平均温度是零下171摄氏度,十分寒冷。虽然如此,阳光却并非是木卫二这样的天体的唯一热源,万有引力也是能加热天体。对很多地球人而言,月亮和太阳的引力造成的海洋潮汐只会对海平面造成影响。像木星和土星这样巨型天体在其卫星上造成的潮汐能量会让这些卫星内核岩石产生摩擦,内核岩石的摩擦会让这些卫星的温度升高。这种加热方式让土卫二和木卫二蕴含了几个海洋的水量,而水面上却是一层冰盖。

在土卫二上,科研人员观察到土卫二海洋上的部分水飘到太空里了。卡西尼号探测器在土星轨道飞行了十多年,曾经发现有水柱从土卫二的南极喷向太空。木卫二也有类似的情况。在2013年,哈勃太空望远镜发现土卫二的表面有水柱喷出。

只有水,生物也不能存活。其他元素也是必要的,特别是碳元素和氮元素。这也是木卫二和土卫二的吸引力所在。有证据显示木卫二和土卫二海洋的海床为岩石海床,能提供形成生物的必备元素。例如木卫二,有间接证据表明其海洋含有形成生物的元素,研究人员用电脑模拟了其内部情况并分析了遍布水面的褐色条纹,认为该褐色条纹是盐类沉积受到阳光照射后产生的变色。

与之相比,土卫二的相关证据却是实实在在的。在卡西尼号探测器发现土卫二有水柱从其表面喷出不久,卡西尼号探测器的控制器直接冲进了土卫二的水柱里。虽然卡西尼号探测器不是为此种任务而设计,卡西尼号还是提取了一些水柱样本,并进行了分析。分析结果表明:土卫二的水柱样本里包含多种复杂的碳基分子,是形成生物的基础物质。

当然,这些物质能否形成生命, 那又是另一个问题了。研究人员对土卫二进行研究越多,土卫二的吸引力也变得越大。3月12日,科罗拉多大学的徐肖恩(Sean Hsu)和同事们在《自然分析》杂志发表了一篇论文,该论文分析了土卫二水柱的硅酸盐微粒。他们结论为:这些硅酸盐微粒极有可能是在盐碱海底热泉喷口处形成的,热泉喷口是富含矿物质的水从炽热的海底岩石中循环后进入海底时形成的喷口。

在地球上,研究人员也发现了同样的热泉喷口,认为此类热泉喷口是生命形成的良好场所。实验室的实验表明热泉喷口内的微型气井的运行方式与原发细胞类似,他们会收集有机化学物质,在“细胞”两端维持一定的电压差,以便进行化学反应。从理论上而言,这些都是活细胞的重要特征。

没有找到正确的卫星吗?

除了木卫二和土卫二,太阳系可能还有其他的蕴含着海洋的天体。3月,德国科隆大学的约阿希姆·绍尔领导的研究团队宣布在木卫三发现了一个地下海洋,木卫三是木星最大的卫星;因此,其他木星、土星、乃至遥远的海王星的其他卫星都有可能蕴含着大量的水。谷神星和冥王星也有可能蕴含着水资源,谷神星是小行星带上的一个矮行星,冥王星是离太阳的距离比海王星还远的一颗矮行星。现在,研究人员是注意力只集中在木卫二和土卫二这两颗星球上。

如果美国国家航空和宇宙航行局继续推进“木卫二大剪刀”计划,其刚刚宣布研制成功的科学仪器将在木卫二相当稀薄的大气层里重复地掠地飞行,让研究人员更多地了解木卫二。如果运气不错的话,这些科学仪器将飞进木卫二表面喷出的水柱里,以了解更多木卫二海洋的情况,在2013年,哈勃太空望远镜就观测到了木卫二喷发水柱的情况。如果没有这种机会,那么研究人员只能再等待几十年,直到人类能实现更具雄心的在木卫二着陆并直接钻探的任务。

土卫二离地球的距离比木卫二更远,但在很多方面,土卫二比木卫二更具吸引力,更能实现探测目的。克瑞斯·麦凯是美国国家航空和宇宙航行局艾姆斯研究中心的行星科学家, 他指出:卡西尼号探测器已经证明检测水柱的任务相对容易。探测器要做的就是在天体的大气层里飞行,将所有捕捉到的物质带回地球。那些物质可能不是有机体。蛋白质,甚至在某些环境中的氨基酸,都能带给研究人员很多信息。

克瑞斯·麦凯希望每次从土卫二带回的样本都是简单任务,证明了这种探测方式是可行的。日本宇宙航空研究开发机构和美国国家航空和宇宙航行局正着眼于一项联合开发任务。与美国一样,日本在采集宇宙天体样本方面有着一定经验;在2010年,日本的隼鸟号探测器就从彗星彗尾带回了彗尘样本。如果日本承担一半探索土卫二的费用,探索土卫二的计划将和探索木卫二的计划一起列入美国国家航空和宇宙航行局的预算。

克瑞斯·麦凯博士表示:探索土卫二,只要一个单程宇航飞行就能找到土卫二是一个有生物的星球还是只是一个具备生物产生条件的星球,这是探索土卫二的一个优势。生物化学反应或非生物化学反应都能产生氨基酸。很多氨基酸都是手征性,这表明同样成分能以不同的方式组合在一起,就像四只手指和一个大拇指既能组成左手,也能组成右手。简单化学制造的东西都具备“左右手”的特征。

地球上的生物化学有着很强的左手印记,而且看起来这种趋势在地球上无处不在。如果飞越了土卫二水柱的探测器带回的物质是左手特征氨基酸,就能证明土卫二上存在着生物。

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