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(shuō)”以來(lái)，研究人員就認(rèn)為，我們所處的時(shí)間和空間在宇宙中并不“特別”。天文觀測(cè)者現(xiàn)在看到的時(shí)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(guò)去幾年，對(duì)太陽(yáng)系中較遠(yuǎn)地方的觀測(cè)，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(lèi)則非常有幸能見(jiàn)證這一變化。對(duì)于土星明亮的光環(huán)來(lái)說(shuō)，也是如此。土星的明亮光環(huán)可能是最近才形成的，隨著時(shí)間的推移可能會(huì)變暗。這種變化使得研究行星的學(xué)者難以接受，因?yàn)閺慕y(tǒng)計(jì)上來(lái)說(shuō)，人類(lèi)幾乎不可能見(jiàn)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(gè)基本原理——均變論。均變論認(rèn)為，行星的改變是一種持續(xù)的、逐漸的變化。美國(guó)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(shuō)，“地質(zhì)學(xué)家喜歡認(rèn)為事物還是以前的事物”。他還說(shuō)：“對(duì)于人類(lèi)來(lái)說(shuō)，不變的世界可以讓人不用認(rèn)為，自己生活在特殊的時(shí)代?！?/p>
但證據(jù)讓科學(xué)家難以接受。因?yàn)?，宇宙可能正在上演壯麗的奇觀。
土星環(huán)
長(zhǎng)期以來(lái)，科學(xué)家一直認(rèn)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(gè)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(rèn)為，土星環(huán)的明亮不可能持續(xù)幾十億年的時(shí)間。這是因?yàn)?，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(huì)污染土星環(huán)。因此，隨著時(shí)間的流逝，土星環(huán)將會(huì)變暗。美國(guó)航空航天局艾姆斯研究中心的行星科學(xué)家杰夫·庫(kù)茲（Jeff Cuzzi）說(shuō):“如果觀測(cè)木星、天王星還有海王星的環(huán)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，它們都比較暗。這是可以預(yù)見(jiàn)到的，因?yàn)檫@些環(huán)正在遭受‘污染’?！?/p>
土星的B環(huán)（左）很亮，以至于很多研究人員猜測(cè)它很年輕。
在庫(kù)茲看來(lái)，土星環(huán)非常明亮的事實(shí)說(shuō)明，這個(gè)環(huán)是在僅僅幾億年前，因?yàn)槟撤N天體在土星周?chē)凰毫讯纬傻摹@個(gè)天體可能是遠(yuǎn)道而來(lái)的冰體，也可能是土星自身的一顆巨大衛(wèi)星。接下來(lái)，土星環(huán)會(huì)慢慢變暗，庫(kù)茲說(shuō)。
但是這種說(shuō)法也存在問(wèn)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(yáng)系形成的最初7億年間可能比較常見(jiàn)，但在此之后，這樣的天體就很少見(jiàn)了。所以，10億年前，這種大型天體經(jīng)過(guò)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(gè)時(shí)間段里，這顆衛(wèi)星怎么會(huì)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?yàn)槟撤N機(jī)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?yàn)?，相?duì)于土星環(huán)來(lái)說(shuō)，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?！叭绻阌幸稽c(diǎn)黑色涂料，將這點(diǎn)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(huì)變得很黑”，庫(kù)茲說(shuō)，“但是，將這點(diǎn)黑色涂料放入一個(gè)游泳池，游泳池的顏色將不會(huì)發(fā)生變化。
”
美國(guó)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(duì)于土星環(huán)是最近形成的這種說(shuō)法，并沒(méi)有合理的解釋?！?/p>
但是，目前沒(méi)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(guò)情況，來(lái)研究B環(huán)里面的成分。這個(gè)問(wèn)題的答案，可能很快會(huì)由從2004年就開(kāi)始環(huán)繞土星運(yùn)行的“卡西尼”號(hào)探測(cè)器揭曉。2017年，“卡西尼”號(hào)探測(cè)器將在它生命的最后時(shí)刻，進(jìn)入土星最里面的D環(huán)。通過(guò)比較該探測(cè)器在不同軌道上的運(yùn)行情況，將會(huì)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(shuō)：“如果‘卡西尼’號(hào)探測(cè)器告訴我們，土星環(huán)的質(zhì)量很小，我們將會(huì)面臨一個(gè)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(yùn)行時(shí)，它的南極會(huì)拋灑水蒸氣流，從而形成一個(gè)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%?？茖W(xué)家非常好奇，土衛(wèi)二如何能夠保持這種噴灑行為。
針對(duì)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(gè)假設(shè)，土衛(wèi)二正處在一個(gè)特殊時(shí)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(guò)去10億到1億年的時(shí)間里，由于土星潮汐力的作用對(duì)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(wàn)年，到時(shí)土衛(wèi)二地殼將會(huì)冷卻。然后，能量又會(huì)在土衛(wèi)二內(nèi)部重新聚集，從而開(kāi)始一個(gè)新的循環(huán)。奧尼爾在一個(gè)會(huì)議上闡述這種解釋時(shí)，遇到了批評(píng)，他回應(yīng)說(shuō)：“土衛(wèi)二的噴發(fā)行為處于一個(gè)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(guó)黃石國(guó)家公園里的間歇性噴泉一樣，只不過(guò)土衛(wèi)二噴發(fā)行為的循環(huán)周期要長(zhǎng)得多。
這種周期性的噴發(fā)行為，也可以用來(lái)解釋另外一個(gè)問(wèn)題，那就是為什么土衛(wèi)二表面不同地方的年齡，看起來(lái)差別很大。土衛(wèi)二表面有些地方因?yàn)榛鹕絿姲l(fā)而造成了凹痕，而有些地方看起來(lái)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(guò)周期性的噴發(fā)過(guò)程，那土衛(wèi)二就不是那么特別了。在任何時(shí)期，它們中至少總有一個(gè)處于活躍期，奧尼爾說(shuō)道。
如果上面的解釋行得通，那么就存在另外一個(gè)難題。土衛(wèi)一（Mimas）離土星的距離比土衛(wèi)二近得多，受到來(lái)自于土星的潮汐力也大得多，但沒(méi)有證據(jù)表明，土衛(wèi)一也存在這樣的周期性活動(dòng)。尼莫猜測(cè)道，一種可能性是因?yàn)橥列l(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(shuō)：“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(shí)并非如此，這個(gè)問(wèn)題的確切答案，我們目前還不知道?！?/p>
2015至2017年，“卡西尼”號(hào)探測(cè)器將會(huì)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(jì)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(gè)熔爐比起來(lái)，土衛(wèi)二就像個(gè)螢火蟲(chóng)。作為太陽(yáng)系內(nèi)火山活動(dòng)最強(qiáng)的天體，木衛(wèi)一有上百種火山特征。木衛(wèi)一的火山活動(dòng)可以向太空噴出長(zhǎng)達(dá)500千米的帶狀硫磺和二氧化硫，這個(gè)距離比從地球到空間站的距離還要遠(yuǎn)。木衛(wèi)一的熱量噴出功率為9萬(wàn)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(duì)于這個(gè)問(wèn)題，美國(guó)加州理工學(xué)院的行星科學(xué)家戴維·史蒂文森（David Stevenson）說(shuō)道：“木衛(wèi)一的火山活動(dòng)有些時(shí)期比較活躍，而其他時(shí)期則不太活躍。”
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(diǎn)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(yùn)行一周的過(guò)程中，總會(huì)受到其他兩顆衛(wèi)星引力的推動(dòng)，這使得木衛(wèi)一的軌道不是正圓軌道。這種偏心軌道會(huì)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(huì)變形約10米。表面變形時(shí)，會(huì)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(guò)火山噴發(fā)的形式釋放了出來(lái)。
在這個(gè)過(guò)程中，木衛(wèi)一的軌道運(yùn)行能量被提取了出來(lái)，因此，木衛(wèi)一不可能跑到離開(kāi)木星更遠(yuǎn)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(huì)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(huì)弱化，它將會(huì)冷卻下來(lái)。然后接下來(lái)的幾百萬(wàn)年中，木衛(wèi)二和木衛(wèi)三的引力作用會(huì)將木衛(wèi)一推入另一個(gè)偏心率比現(xiàn)在大幾倍的軌道，循環(huán)又開(kāi)始了，史蒂文森說(shuō)道。
巴黎天文臺(tái)的行星科學(xué)家瓦萊里·萊內(nèi)（Valery Lainey）同意這種觀點(diǎn)——木衛(wèi)一的軌道在發(fā)生周期性變化。對(duì)木衛(wèi)一超過(guò)一百年的觀測(cè)也支持這種觀點(diǎn)。觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，木衛(wèi)一的軌道正變得越來(lái)越圓。如果這樣，木衛(wèi)一猛烈的火山活動(dòng)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(shuō)道。盡管宇宙中的周期性變化事件非常常見(jiàn)，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(méi)有真正理解它們”。
土衛(wèi)六
2005年，當(dāng)“卡西尼”號(hào)探測(cè)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(cè)儀后，探測(cè)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(gè)大幅扭曲的地方。沖刷河槽表面的液體是甲烷，這些甲烷來(lái)自土衛(wèi)六的大氣層——碳?xì)浠衔镌?。然而，甲烷大氣?duì)陸地的影響應(yīng)該是短期的。太陽(yáng)光將會(huì)使甲烷分解，促使化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，生成較重的碳?xì)浠衔铮@將會(huì)使土衛(wèi)六的大氣層在幾千萬(wàn)年的時(shí)間里耗盡。土衛(wèi)六現(xiàn)在正處在這樣一個(gè)階段：大氣層的甲烷成分剛被補(bǔ)充，或正處于被補(bǔ)充的過(guò)程中。
“卡西尼”號(hào)探測(cè)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(dòng)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(guó)航空航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的行星科學(xué)家羅莎麗·洛普（Rosaly Lopes）說(shuō)道，那個(gè)地方的沉淀物來(lái)自于火山噴發(fā)出的甲烷泥漿。
摩爾堅(jiān)持另一個(gè)觀點(diǎn)，甲烷河流的碰撞和侵蝕造就了這種火山地形。他認(rèn)為土衛(wèi)六正處于一個(gè)獨(dú)一無(wú)二的地質(zhì)時(shí)期。在他看來(lái)，直到幾千萬(wàn)年前至幾億年前，甲烷和氮?dú)狻列l(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(gè)時(shí)候，太陽(yáng)已經(jīng)歷了46億年的演化，開(kāi)始變熱，于是土衛(wèi)六表面的冰開(kāi)始升華，并在百萬(wàn)年的時(shí)間內(nèi)形成了富含甲烷的大氣。
甲烷開(kāi)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(shuō)道。逐漸地，太陽(yáng)使甲烷分解，變成更重的碳?xì)浠衔铮坝辍毕Я?。再過(guò)4 000萬(wàn)年后，摩爾說(shuō)，甲烷可能徹底消失，土衛(wèi)六會(huì)恢復(fù)這樣一種場(chǎng)景——淡紅色的碳?xì)浠衔锔采w在星球表面，上方則是藍(lán)色的、充滿氮?dú)獾奶炜铡?/p>
美國(guó)約翰斯·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室的拉爾夫·洛侖茲（Ralph Lorenz）認(rèn)為，摩爾的想法過(guò)于簡(jiǎn)單。拉爾夫說(shuō)，有證據(jù)表明，大氣中的甲烷從變成碳?xì)浠衔铮俪练e到覆蓋土衛(wèi)六20%表面的山丘中，可能花了幾十億年的時(shí)間。如果事實(shí)確實(shí)如此，那么液體甲烷存在的時(shí)間相當(dāng)于土衛(wèi)六存在的時(shí)間。
“卡西尼”號(hào)探測(cè)器的進(jìn)一步觀測(cè)將告訴我們，在幾年的時(shí)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(jì)甲烷“雨”到底沖刷了星球表面多長(zhǎng)時(shí)間。
“我認(rèn)為，隨著時(shí)間的變化，我們會(huì)對(duì)土衛(wèi)六有更多新的認(rèn)識(shí)，”洛侖茲說(shuō)，“土衛(wèi)六可不是一個(gè)簡(jiǎn)單的家伙?！?/p>
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