插图于2020年12月更新,描绘了NASA欧罗巴快船探测器。该任务预计在2024年发射,将调查木卫二及其内部海洋是否具备适宜生命存在的条件。
影像来源:NASA/JPL-Caltech

木星卫星木卫二有一个覆盖着巨的全球海洋的壳。下面的岩石层可能热到让岩质地幔足以融化,导致海底火山

新的研究计算机模型显示,木星的卫星木卫二的海底可能在最近发生过火山活动——而且可能仍然在发生。美国国家航空航天局(NASA)即将在2024年发射欧罗巴快船(Europa Clipper)探测器,它将飞近这颗冰冷的卫星,收集测量数据,为最近的发现提供线索。

科学家们有强有力的证据表明,木卫二的冰层和岩石内部之间存在着一个巨大的海洋。这项新研究表明,木卫二可能有足够的内部热量部分融化这一岩石层,这个过程可能为海底的火山提供能量。最近对这种内部热量是如何产生和传递的3D模型是迄今为止对这种内部热量对木卫二的影响最详细、最彻底的研究。

木卫二的岩质地幔之所以热到足以融化,关键在于木星对其卫星的巨大引力。当木卫二围绕着这颗气态巨行星旋转时,这颗冰冷的卫星的内部会发生弯曲。弯曲迫使能量进入木卫二内部,然后以热量的形式渗出(想想回形针是如何反复弯曲产生热量的)。木卫二内部弯曲得越多,产生的热量就越多。

最近发表在《地球物理研究快报》上的这项研究,详细模拟了木卫二的岩石部分在木星引力的牵引下如何弯曲和加热。它显示了热量在哪里消散,以及它如何融化岩石地幔,从而增加了海底火山爆发的可能性。

几十年来,木卫二上的火山活动一直是人们猜测的话题。相比之下,木星的卫星木卫一明显是有火山。那里的数百座火山喷发出熔岩喷泉,并喷射出高达250英里(400公里)的火山气体和尘埃,这些活动是由于木星的引力造成的相同类型的内部加热所致。但是木卫二比木卫一离它的主行星更远,所以科学家们想知道在冰封的表面下是否会有类似的效应。

科学家的发现表明,木星的卫星木卫二的内部可能由一个铁核组成,被岩石地幔包围,与冰壳下的海洋直接接触。新的研究模型揭示了内部热量如何为海底火山提供燃料。
影像来源:NASA/JPL-Caltech/Michael Carroll

捷克共和国查尔斯大学的玛丽·贝侯科娃(Marie Běhounková)领导下,作者进一步预测,火山活动最有可能发生在木卫二的两极附近——这一纬度产生最多的热量。他们还研究了火山活动是如何随着时间的推移而演变。寿命长的能源为潜在生命的发展提供了更多的机会。

海底火山如果存在的话,可能会为热液系统提供动力,就像那些为地球海洋底部的生命提供燃料的系统一样。在地球上,当海与热岩浆接触时,相互作用产生了化学能。正是来自这些热液系统的化学能,而不是来自阳光,帮助我们的海洋深处的生命生存。木卫二海底的火山活动可能是支持该卫星海洋潜在宜居环境的一种方式。

“我们的发现提供了更多的证据,表明木卫二的地下海洋可能是一个适合生命出现的环境。”贝侯科娃说。“木卫二是少有的可能维持了数十亿年的火山活动的行星体之一,也可能是地球之外唯一一个拥有大型水库和长期能量来源的行星。”

直接观测

当欧罗巴快船探测器在2030年达到预定目标时,NASA的科学家们将有机会对新的预测进行测试。该探测器将围绕木星运行,并对木卫二进行数十次近距离飞行,以绘制木卫二地图并调查其组成。在它收集的科学数据中,飞船将对木卫二表面进行详细调查,并对木卫二稀薄的大气层进行采样。

表面和大气观测将使科学家有机会了解更多关于木卫二内部海洋的情况,如果水通过冰壳向上渗透的话。科学家们认为,海洋和地壳之间的物质交换会在表面留下海水的痕迹。他们还认为,这种交换可能会释放出气体,甚至可能是水蒸汽柱,喷射出的粒子可能包含来自海底的物质。

随着欧罗巴快船测量木卫二的重力场磁场,这些区域的异常,特别是两极的异常,可能有助于确认新研究所预测的火山活动。

“木卫二的海底可能会出现炎热的岩石内部和火山,这增加了木卫二海洋适宜居住的可能性,”美NASA位于南加州喷气推进实验室的欧罗巴快船项目科学家罗伯特·帕帕拉多(Robert Pappalardo)说。“我们也许可以用欧罗巴快船计划中的重力和成分测量来测试这一点,这是一个令人兴奋的前景。”

有关任务的更多信息

诸如欧罗巴快船这样的任务有助于促进天体生物学领域的发展,即对可能孕育我们所知的生命的遥远世界的变量和条件的跨学科研究。虽然欧罗巴快船不是探测生命的任务,但它将对木卫二进行详细侦察,并调查这颗冰冷的卫星及其表面下的海洋是否有能力支持生命。了解木卫二的可居住性将有助于科学家更好地了解地球上的生命如何发展,以及在我们的星球之外发现生命的可能性。

由位于加州帕萨迪纳的加州理工学院管理,喷气推进实验室与位于马里兰州的约翰·霍普金斯应用物理实验室(APL)合作,为位于华盛顿的NASA科学任务理事会领导欧罗巴快船任务的发展。位于阿拉巴马州亨茨维尔的美国宇航局马歇尔太空飞行中心的行星任务项目办公室负责欧罗巴快船任务的项目管理。

有关木卫二和欧罗巴快船的更多信息,请参见:

https://europa.nasa.gov

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