朱佳豪 張佳蕾 張 睿 孟天宇,3 張 晨,4 魏 勇,5 王譽棋,5

（1.中國科學(xué)院大學(xué) 101408；2.自然資源部第一海洋研究所 266061；3.中國地質(zhì)科學(xué)院 100037；4.中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所 100190；5.中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所 100029）

關(guān)于地外生命的探索，科學(xué)家一直都沒有停止腳步。探索完太陽系的八大行星之后，科學(xué)家一面找尋可能存在生命的地外行星，另一面把關(guān)注點放到了太陽系的衛(wèi)星中。對于土衛(wèi)六這顆普通但又并不普通的星球，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了其孕育生命的可能，于是對其展開了近距離研究。

土星是太陽系八大行星之一，與太陽的距離排在太陽系第六位。提起土星，它最特殊的一定是漂亮的光環(huán)了，雖說太陽系中木星、土星、天王星和海王星都擁有光環(huán)，但作為首個被發(fā)現(xiàn)的行星環(huán)，土星光環(huán)最為明顯突出，也因此吸引了眾多研究者的目光。由于土星是一個巨型氣態(tài)行星，并不存在地球碳基生命生存的條件，因此地外生命研究者把目光轉(zhuǎn)向了土星的衛(wèi)星。土星的衛(wèi)星有很多，但大多都比較小，只有一顆例外，那就是土衛(wèi)六(圖1)。土衛(wèi)六是人類發(fā)現(xiàn)的第一顆土星衛(wèi)星，1655年荷蘭天文學(xué)家惠更斯用自制的天文望遠(yuǎn)鏡首次發(fā)現(xiàn)了土衛(wèi)六，并以希臘神靈“泰坦”命名。在太陽系的衛(wèi)星中，其體積僅次于木衛(wèi)三，是太陽系第二大衛(wèi)星。土衛(wèi)六上得天獨厚的物理化學(xué)環(huán)境決定了它必定成為地外生命研究的熱點目標(biāo)。

圖1 可見光波段與紅外波段下的土衛(wèi)六（中間為可見光波段）

1.土衛(wèi)六的氣象水文

1944年，荷裔美籍天文學(xué)家柯伊伯在土衛(wèi)六光譜中發(fā)現(xiàn)了甲烷譜線，確認(rèn)土衛(wèi)六存在大氣。懷著對土衛(wèi)六的種種好奇，人們選擇送探測器對其進(jìn)行近距離觀察探究，于是旗艦級探測器“卡西尼”號應(yīng)運而生。為了全方位多角度地對土星及其衛(wèi)星進(jìn)行立體研究，“卡西尼”號攜帶了當(dāng)時最先進(jìn)的探測設(shè)備，還搭載了專門用來研究土衛(wèi)六的“惠更斯”號探測器。探測器在土衛(wèi)六著陸后，通過無線電傳回的圖像數(shù)據(jù)，我們發(fā)現(xiàn)土衛(wèi)六似乎具有巨大的排水溝渠網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過證實，確定這些“水”是液態(tài)的碳?xì)浠衔?。由于土衛(wèi)六地表溫度很低，因此液態(tài)水不可能存在，液態(tài)甲烷和液態(tài)乙烷在土衛(wèi)六中占主導(dǎo)地位。由于土衛(wèi)六大氣密布，在自身的自轉(zhuǎn)和圍繞土星的公轉(zhuǎn)過程中會出現(xiàn)類似地球上的天氣系統(tǒng)以及“水”循環(huán)。在土衛(wèi)六上，甲烷和乙烷等液態(tài)碳?xì)浠衔锓肿诱舭l(fā)，凝結(jié)成云層，然后再匯聚成“雨”落回到地面。落回地面的液態(tài)碳?xì)浠衔飬R聚成“河流”，通過“地表徑流”的方式流入“海洋”(圖2)，這些與地球的水循環(huán)非常類似。

圖2 土衛(wèi)六北極極地區(qū)域的湖泊和海洋

除了“水”循環(huán)，“卡西尼”號傳回地球的數(shù)據(jù)顯示土衛(wèi)六赤道地區(qū)有巨大的沙塵暴。這使土衛(wèi)六成為太陽系中除地球和火星外第三個被觀察到存在沙塵暴的天體，也是第一個具有沙塵暴的衛(wèi)星。根據(jù)卡西尼號拍攝到的圖片(圖3)，中央部分箭頭所指的亮斑被科學(xué)家解釋為強烈的甲烷風(fēng)暴。關(guān)于是不是甲烷風(fēng)暴，科學(xué)家曾進(jìn)行過長時間論證，他們排除了冰冷熔巖、甲烷云以及凍結(jié)的甲烷雨這幾種固態(tài)液態(tài)的形式，認(rèn)為圖片中顯示的特征必須是氣態(tài)的才能解釋。觀測到的風(fēng)暴位于土衛(wèi)六赤道周圍的沙丘區(qū)域正上方，由此推測這些亮斑實際上是從沙丘上揚起的塵埃流。當(dāng)陽光與甲烷的相互作用形成的有機分子大到足以掉落到表面時，就會形成有機粉塵，若同時近地表風(fēng)速是無沙塵暴時的五倍，就會產(chǎn)生如此強度的沙塵暴。這個發(fā)現(xiàn)意味著覆蓋土衛(wèi)六赤道地區(qū)的巨大沙丘仍然在活躍并且不斷變化。風(fēng)可能會將沙丘上揚起的塵埃傳送到很遠(yuǎn)的距離，從而導(dǎo)致土衛(wèi)六上的有機塵埃全球循環(huán)。

圖3 “卡西尼”號攜帶的視覺和紅外映射光譜儀拍攝的出現(xiàn)亮斑的土衛(wèi)六圖像

2.土衛(wèi)六的地形地貌

隨著研究的進(jìn)行，美國宇航局公布了土衛(wèi)六的首張全球地貌圖(圖4)，揭示了其地表上沙丘、“湖泊”、平原、火山口等眾多地貌形態(tài)。土衛(wèi)六地勢地貌與地球十分相似，表面近2/3 是平坦的平原；約14%的地表是丘陵或山地；17%是由嚴(yán)寒的固態(tài)有機物質(zhì)構(gòu)成的沙粒，它們被風(fēng)吹成了沙丘，大部分在赤道附近；還有以液態(tài)甲烷構(gòu)成的“湖泊”“海洋”，以及與地球相似“水蝕”和風(fēng)蝕構(gòu)成的頁巖鑿刻痕跡。同時，土衛(wèi)六的隕石坑少得驚人，這表明它的地質(zhì)形成時間相當(dāng)晚。

圖4 土衛(wèi)六全球地貌圖(a)墨卡托投影；(b)通用極球面投影＞55°N/°S

土衛(wèi)六液態(tài)碳?xì)浠衔锾畛渫莸氐男问揭约斑@些地表洼地的來源備受關(guān)注。隨著研究深入，科學(xué)家逐漸確定了液態(tài)碳?xì)浠衔锾畛渫莸氐膬煞N形式。首先是“徑流”填充形成“海洋”，寬闊的海洋跨越數(shù)千公里，深約幾米到數(shù)十米，由分支狀的類似“河道”的“河水”補給；其次是“湖泊”，它的形成通常認(rèn)為與“河流”無關(guān)，被認(rèn)為是由“降水”和從地下注入“湖泊”的液體填滿。對于容納“湖泊”的洼地的形成，可以參考地球上的巖溶地貌。這些洼地是由于“地下水”中溶解性巖石(如石灰?guī)r、石膏等)被侵蝕以及“降雨”滲透到巖石中而形成的。這種侵蝕作用的速率取決于各種因素，如巖石的化學(xué)性質(zhì)、降水速率、地表溫度等等。因此科學(xué)家認(rèn)為盡管土衛(wèi)六與地球相差甚遠(yuǎn)，但是其潛在的氣象以及地質(zhì)過程相似。

3.生命的孕育

土衛(wèi)六表面的氣象條件、地質(zhì)活動甚至是影響全球的循環(huán)系統(tǒng)過程都與我們的地球極其相似。有科學(xué)家猜測，土衛(wèi)六現(xiàn)今的地表進(jìn)程就如同我們早年的地球。地球形成初期并不具備適合生命發(fā)展演化的條件，隨著地球冷卻，具有了氨、甲烷、二氧化碳和水等物質(zhì)，到這時生命出現(xiàn)的舞臺才搭建好。年輕的地球表面曾受多種因素劇烈影響，如宇宙射線、閃電、火山、隕石撞擊等等，同時它們也都為地球提供了大量的能量，最終將地球上的氨、甲烷、二氧化碳和水塑造成為氨基酸和核苷酸堿基。氨基酸構(gòu)建蛋白質(zhì)，核苷酸堿基序列構(gòu)成基因，從而二者結(jié)合形成生命體，確定生物體的特征。

這就是關(guān)于生命起源的化學(xué)演化假說，它的中心思想是，生命是從無生命的分子進(jìn)化而來的。對此，科學(xué)家早在1953 年就進(jìn)行了著名的尤里-米勒實驗，成功構(gòu)建出了氨基酸甚至是核苷酸堿基序列。研究發(fā)現(xiàn)，土衛(wèi)六大氣中存在一種與生命起源相關(guān)的物質(zhì)——丙烯氰，伴隨著大氣中的雷電風(fēng)暴活動，可能形成復(fù)雜有機物和早期生命形式。

如今的土衛(wèi)六雖然表面溫度極低，空氣中充斥著相對于生命來講的“毒氣”，狂風(fēng)席卷，漫天飛沙，環(huán)境惡劣，但是原始地球也曾是如此，在似乎絕對不可能的條件下一步一步發(fā)展孕育出了生命。土衛(wèi)六目前溫度只有-150攝氏度左右，但它緊鄰的木星內(nèi)部正在緩慢收縮，向外輻射熱量，起到類似于太陽的作用。也就是說土衛(wèi)六表面溫度會逐漸上升，隨著時光變遷、能量輸入，在遙遠(yuǎn)的將來，土衛(wèi)六或許將成為下一個孕育生命的星球。與此同時，對土衛(wèi)六的進(jìn)一步研究很有可能反過來成為破解地球生命起源的密碼。

自古以來，人們向天追問：“遂古之初，誰傳道之？上下未形，何由考之？冥昭瞢暗，誰能極之？馮翼惟像，何以識之？”現(xiàn)在，我們依舊向天追問：還有沒有別的星球孕育有生命的存在？人類在宇宙中孤獨嗎？尋找地外生命、尋找新的家園一直都是我們努力“問天”的一個重要方向。雖然長路漫漫，但有兩點可以確認(rèn)：第一，中國一定會積極參與其中；第二，故事才剛剛開始，我們的征途始終是星辰大海。