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神奇的土卫六：是谁撒下了生命的种子？

晰数塔互联网快讯
2023-04-18 16:40

本文来自微信公众号：中国国家天文（ID：chineseastronomy），作者：刘孜铭，原文标题：《严查泰坦》，头图来自：视觉中国

生命从何而来？这个问题已经被各方各界争执了数千年。宗教人士赞成神创论，自然科学坚定认为生命由宇宙自然演化产生，然而四十亿年之前地球究竟如何从一片洪荒之中诞生出生命的种子，却仍旧是个未知数。也正因此，一部分学者将目光放到了地球之外，有没有一种可能，生命其实是诞生于其他天体之上，被那些彗星和流星裹挟来到地球上繁衍生息的呢？

外来生命假说并非空穴来风。鉴于一些天体上已经探测到了各种有机分子，例如氨基酸、核苷酸等，而这些有机分子也常被认为是生命起源的基础。加之流星和彗星等天体在太阳系中漫游，有可能在地球早期当它们进入大气层或着陆地球时，便将生命种子带入了地球。而这一假说同时也暗示着，宇宙当中应该存在着孕育生命的温床。

一、不太寻常的生命起源

虽然恒星宜居带的类地行星一般被作为理想的生命诞生地，但一些另辟蹊径的天文学家，却将目光移向了更为次级数量却更为庞杂的另一种天体——卫星。

这些质量远小于恒星的天体，在宇宙中其实是更为普遍的存在。太阳系中只有一颗恒星，8颗行星，但是已经确定的卫星却有224颗（随着观测精度提高，这一数字还在逐年上升）。并且宇宙中的这些卫星中的很大一部分，可能都有液态水——目前认为孕育生命所必需的化合物——存在于表面或者内部。在太阳系中，木卫二、木卫三、木卫四以及土卫二、土卫四、土卫六上都显示出内部存在液态水的迹象，而神奇的土卫六，甚至在表面坐拥大量液态有机物。

发布在美国天文学会旗下期刊《美国天文学会研究简报》（Research Notes of the American Astronomical Society，RNAAS）上的一篇文章，探讨了一种新的生命起源方式，即生命起始于那些宇宙早期就大量形成的类似土卫六的携水卫星。

图/惠更斯号探测器由卡西尼号探测器携带，于2004年12月24日与母船分离，飞往土卫六，成功软着陆。版权：NASA

卫星往往伴随着恒星和行星一同形成，其中有一些具有同地球类似的地质结构。虽然同恒星的距离可能会影响其表面的水资源情况，但却很少会影响其内部的水。这就使得存在大量的卫星，其内部存有大量的液态水，并且可以在相当长（几千年以上）的时间内一直保持一个较为适宜的环境状态，或许使得简单生命在这种卫星内部诞生成为了可能。

虽然在宇宙最早期，金属元素占比还十分少。但随着星系间天体不断演化，金属丰度逐渐提升，同时这种类型的卫星数量也越来越多，逐渐使得最早的生命形式出现在土卫六卫星上的几率不断攀升。土卫六这样表面存在有大量液态有机物的天体，或许也为不同于地球形式的生命诞生提供了可能性。

不仅如此，在詹姆斯·韦布望远镜（JWST）发射升空并展开观测之后，科研人员利用其搭载的高精度光谱分析仪以及高灵敏度的红外探测器，在望远镜传回的观测数据中发现了许多有趣的新结论。比如宾夕法尼亚州立大学的科研团队发现了一批同银河系质量相当，但是却存在于大爆炸之后宇宙初期仅5至7亿年的大质量星系；康奈尔大学的研究人员则发现了一个具有非常高的金属丰度的古早星系——诞生于大爆炸后14亿年，却拥有同太阳相当的金属元素比例……这些发现或许都在暗示我们，人类对于早期宇宙的演化情况或许仍旧存在许多误解，这个时空的演化和迭代速度可能远比我们所设想的要快许多。

因此，如果能够在土卫六上发现简单生命结构存在或者曾经存在的迹象，那或许将彻底改变人们对于生命起源的看法。因为这意味着自宇宙诞生至今，在无数的早期携水卫星上，或许都能够诞生简单的生命形式，从而为生命播撒向广大的宇宙之中提供了基础。由此也将推断出，宇宙中存在生命的天体将远比之前所设想的要多得多。

图/惠更斯号探测器于北京时间2005年1月15日发回首批数据，包括土卫六的影像资料。版权：NASA

二、名为泰坦，却并非灭霸故乡

土卫六又名泰坦（Titan），是土星最大的卫星，也是太阳系内第二大的卫星（仅次于木卫二），直径约为5150千米，甚至比水星还要大一些。1655年，荷兰天文学家、数学家和物理学家克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens）在用天文望远镜观察土星时，意外注意到了土星旁边的土卫六，这是这颗卫星首次进入人类的视野范围内。

土卫六是太阳系中最迷人的景区之一——如果真的可以去旅游的话。这儿也是除了地球之外人类唯一探测到表面具有稳定液体的世界，这些液体在土卫六表面形成了河流、湖泊和海洋。只不过这些液体并非水，而是液态的甲烷和乙烷。这也使得土卫六具有着同地球非常相似的天气特征——蒸发、降水构成的液体循环。

同时，有机尘暴侵蚀了土卫六的表面，塑造出丰富多样的地貌特征，探测器在这颗卫星上找到了包括山脉、平原、盆地、火山和撞击坑等一系列结构。在土卫六上曾发现一座高达1000米的休眠冰火山，其周围被巨大的沙丘所环绕，且具有深达1200米的火山口。这是人类目前在卫星上探测到的最大的冰火山之一。当其爆发时，会释放出大量炽热的融冰和气体。土卫六的南极区域还有一个非常大的湖泊——克拉肯海（Kraken Mare），这是太阳系中最大的液态甲烷湖泊。

由于潮汐锁定，土卫六自转周期和公转周期是一致的，同月球是相似的。也就是说，土卫六有一面永远朝向土星，另一面则永远背向土星。土卫六拥有一个厚厚的大气层，主要由氮气构成，还含有一些甲烷和其它气体。这个大气层非常密集，压强约为地球的1.45倍。

土卫六表面接收到的太阳光能量大约只有地球的1%，并且这些能量在到达地面之前大多会被大气中的成分吸收，因此其表面非常寒冷。不过好在大气中的甲烷等温室气体成分在土卫六表面产生了较强的温室效应，否则其表面温度将会更低。

在土卫六的大气中，氮气是最主要的气体，占比高达97%，是太阳系内唯一一颗除地球外大气中富含氮气的星球。由于表面温度极低，土卫六大气中只有少量水蒸气存在于平流层中。

有机化合物气体组成的云层通常覆盖着土卫六表面1%左右的范围，不过历史上也曾观测到云层增加到覆盖率8%的情况，这同土卫六表面的气候变化有直接关系。2022年11月，韦布望远镜与地面的凯克望远镜曾协同观测到了土卫六表面云层快速变化的图像。

图/土卫六的南极区域还有一个非常大的湖泊——克拉肯海（Kraken Mare），这是太阳系中最大的液态甲烷湖泊。版权：NASA

三、表面冰窟，内部温床

土卫六的表面温度极低，平均温度只有-179℃，部分地区常年温度低于-200℃，土卫六南极地区发现的火山口附近的温度比其他区域稍高一些，但也只有-160℃左右。极端的严寒使其表面成为了生命禁区。

虽然土卫六表面温度非常低，但是研究人员认为土卫六内部可能存在一个液态海洋，这个液态海洋的温度或许高于-20℃，足以为可能存在的生命提供温暖的环境。

一部分学者认为，土卫六的海洋环境与地球的深海环境非常相似，而地球的深海环境中已知存在着一些生命体，这为土卫六的海洋中存在生命提供了可能性。土卫六的内部海洋中或许存在大量的液态水，而这是生命存在的基本条件之一。此外，土卫六海洋中的热液喷口可能会释放出各种矿物质和有机化合物，为生命提供了营养。

在地球的深海环境中存在着大量的深海热液喷口，这是一种在海底喷出热水和化学物质的喷口，通常位于海底的裂缝或火山口附近。热液喷口周围的水温可以达到几百摄氏度，而且富含硫化氢、甲烷、二氧化碳等物质。这种极端的环境条件对大多数生物来说都是致命的，但热液生物（hydrothermal vent organisms）却能在这种环境下生存繁衍。

热液生物是一类生活在深海热液喷口周围的生物。它们依靠热液中的化学能生存，因此被认为是一类化学合成生物。热液生物的种类非常多样，包括细菌、蓝菌、无脊椎动物和鱼类等。它们之间形成了复杂的食物链和生态系统，构成了一种特殊的深海生态环境。如此推理，是不是类似的生物群落也可能存在于土卫六的海洋中？

即便如此，土卫六上仍旧危机重重。

首先，土卫六的内核远远小于地球，这就意味着它的磁场很弱，导致土卫六会时刻处于太阳风暴与其它宇宙线的轰击之中，这对于生命来说是极为致命的威胁。其次，土卫六平均表面温度低于-180℃，几乎没有现有已知的生物能够在这样的低温下长期生存。这颗卫星的气候变化可能非常极端，凯克望远镜与韦布望远镜先后对其表面云层的观测研究显示，土卫六上空的云层活动是非常频繁的，使得云的形状变化非常迅速。

四、前仆后继的土卫六探测者

人类对土卫六曾几度发射探测器进行观测，20世纪70年代末至80年代初，依托于先锋11探测器、旅行者1号和旅行者2号任务，研究人员首次得到了土卫六第一批详细的观测数据和卫星图像。

卡西尼号探测器于2004年抵达土星，拍摄并传回了第一张土卫六表面的直接图像，在2017年它进入土星大气层焚毁前，曾飞越土卫六一百多次，传回了大批土卫六的光谱数据。

2005年1月14日，卡西尼-惠更斯号探测器降落在土卫六地表，着陆后同卡西尼号进行了近10分钟的联系，最终耗尽能源而于当日结束了历史使命，不过失去行动能力之前，惠更斯号还是拍摄并传回了人类历史上第一张土卫六表面照片。

美国航天局（NASA）的科学家，曾在土卫六中发现了一种叫做环丙烯亚基的复杂有机分子化合物。作为一种简单的“闭环”分子，环丙烯亚基可能有机会产生更为复杂的化合物，从而有助于创造生命诞生所需的条件。值得注意的是，这是一种非常活跃的化学分子，在土卫六的大气层中应该会很容易发生分解。美国国际商业机器公司（IBM）属下的研究中心与苏黎世大学等机构的研究人员，正致力于寻找土卫六上持续产生环丙烯亚基的源头，一些猜想认为，或许正是有异于地球上的生物化学反应在起作用，导致了这种物质在土卫六大气中的持续存在。

目前，NASA也正在开展一项名为蜻蜓号（Dragonfly）的新任务。这是一艘无人飞行器，或将在2026年发射并于8年后降落在土卫六上。蜻蜓号的主要任务是探索土卫六大气和表面，在上面寻找过去生命存在的可能迹象，以及可能适宜生物生存的生化环境。它将会同时和一架潜水探测器——“TitanAir”一同探索土卫六外星海洋的表面和深处，这是一架类似水上飞机的小型探测器，可以利用机翼前端的毛细管“饮用”所处环境中的液态有机物来进行探测。两架探测器将协同探测土卫六的诸多细节性质。

五、不止泰坦

地表或者地下存在液态水对于太阳系内的卫星来说并不稀奇，木卫二、木卫三、木卫四，土卫二、土卫六以及海卫一都被认为“持有”一定量的液态水——这往往也意味着生命可能存在于其表面或者内部。

土卫六之外，木卫二（又名欧罗巴，Europa）也是太阳系内寻找地外生命存在的“最佳地点”之一。表面覆盖着布满裂缝的冰层，这些冰层受到木星的引力牵拉而不断起伏，而冰层之下则是总量超过地球储量两倍有余的液态水海洋。

部分研究认为，这一巨大的海洋甚至可能直接与木卫二的岩石地幔相连，因此木卫二的海底可能比地球上的许多深海更为活跃，从而演化出形形色色的生命来。

图/木星的伽利略卫星。地表或者地下存在液态水对于太阳系内的卫星来说并不稀奇，比如木卫二、木卫三和木卫四。版权：NASA

与地球和土卫六相似的是，木卫二也具有一层稀薄的大气，并且主要由氧构成。只不过木卫二大气中的氧气来源同地球完全不同，不是由生物生成的，而是很可能由宇宙中的带电粒子（比如太阳风中）或者阳光中的紫外辐射，使得木卫二大气中水分子分解为氢气和氧气，而质量较轻的氢分子更容易逃逸进入宇宙空间中，质量较大的氧分子则保留了下来。

与之相似， 木卫三（又名盖尼米德，Ganymede）与木卫四（卡利斯托，Callisto）同样具有存在于卫星地下的大型海洋，以及表层的稀薄大气。以往的先驱者10号、先驱者11号等探测器对这几颗木卫都进行了一系列的探测，只不过由于缺乏登陆探测数据，对于这几颗卫星更为详细的研究结果还需要等待未来的科研计划。

2016年，NASA的研究人员发现木卫二表面可能存在一些“喷泉”，将存在于地下的海水喷向高空。这意味着之后的探测器或许可以直接在高层轨道上获取到木卫二的海洋深处的实验样品，而不需要派遣登陆器挖掘冰层进入木卫二地下。

仅仅是在太阳系之中，具有地下液态水资源存在的卫星就有如此数量。放眼整个宇宙当中，这样的卫星又将是何其之多，这一数字或许比宜居带行星的数量还要大几个数量级。

在未来，将有更多的地外探测任务着眼于土卫六等天体，或许它们将不负众望，发现一些早期生命或者其他形式生命的迹象，从而为我们破解生命来源之谜提供更多的参考和证据。

本文来自微信公众号：中国国家天文（ID：chineseastronomy），作者：刘孜铭，编辑：缓缓、怀尘