科学 9

科学证实季节变化存在,Saturn和泰坦上的人命

Posted by

科学 1年轻的火星曾经拥有足够的水,可以把全部地表淹没到140米深的水下。不过由于地势高低不同,这些水很可能汇聚成一片汪洋,占据火星几乎一半的北半球。然而,今天的火星已经是一片干旱,比地球上最干旱的沙漠还要更加干旱。要在一颗类似今天火星的行星上生存,生命需要具备什么样的能力呢?图片来源:M.
Kornmesser / ESO / N. Risinger, skysurvey.org

土卫六“泰坦”是太阳系内最有趣的卫星,但这并不意味着对“泰坦”的研究可以直截了当。这颗卫星向科学家抛出了很多难题。“卡西尼”号飞船曾发现三个疑似液态湖的小规摸地貌特征。但当这艘飞船重返这一区域时,湖水已经干涸。观测结果表明这些液体要么蒸发,要么渗入周围区域。这些“幽灵湖”的存在证明土卫六有季节变化。

美国华盛顿州立大学教授德克·舒尔策-马库赫(Dirk
Schulze-Makuch)和他的德国同事一起,根据已知地球上最极端的生命形态,还有火星和土卫六泰坦(Titan)上的环境,描绘了那里如果存在外星生命的话,可能会是什么样子。

科学 2

地球上的生命,凭借独特的生化工具,如果再适应环境获得几项新能力的话,是可以在火星这样的类地行星上设法生存下来的。

在土卫六“泰坦”的北半球,科学家发现无数小湖,南半球则只发现一个大湖

舒尔策-马库赫教授说,“首先,有机体必须要找到一种方法能够从环境中获取水分,而那种环境要比地球上智利的阿塔卡马沙漠还要干旱和寒冷得多。一种可能的适应能力是,使用水和过氧化氢的混合液作为细胞内的液态,而非只是用水。”

在地球上,雨水落到池塘、溪流、湖泊和海洋,而后渗入周围的岩石并蒸发。这些水蒸汽最后又以雨水的形式降落地表。土卫六“泰坦”也会下雨,但并不是水,而是液态甲烷。

“举例来说,在我们这颗行星上,有一些被称为放屁虫(bombardier)的甲虫,就会分泌过氧化氢和其他化合物的爆炸性混合物,用于抵挡掠食者。在其他行星上,如果引力环境类似于今天的火星,与放屁虫类似的外星生命就能够喷射类似的反应物,将自己反推到高达300米的空中。”

科学家发表了两篇新论文,阐述了土卫六上这种怪异的无水版“水循环”是如何产生的。为了揭示这种循环,两支研究小组将目光投向“卡西尼”号飞船获取的数据。2017年9月,这艘飞船以“自杀”的方式结束土星系统勘测任务。服役期间,“卡西尼”号曾100多次飞掠土卫六,获取了这个奇异世界的大量重要观测数据。

过氧化氢是一种天然抗冻剂,能够帮助微生物在火星严寒的冬季存活下来。它还具有吸湿性,意味着它天然就有能力从大气中吸收水分子。

科学 3

白天,类似植物的微生物在类似火星的地表上,可以通过光合作用合成过氧化氢。

“卡西尼”号获取的土卫六近红外图像,北极海洋反射阳光

到了夜晚,当大气里相对潮湿时,它们就能利用储存的过氧化氢从空气中汲取水分,就像阿塔卡马沙漠里的微生物群落利用盐水来汲取空气中的水分以此为生一样。

“卡西尼”号的观测数据帮助科学家得出了一些引人注目的发现。他们得以第一次瞥见土卫六表面的液体,而不仅仅是揭示液体存在的少许特征。美国宇航局喷气推进实验室的行星学家罗萨利·洛佩斯表示:“‘泰坦’是太阳系内除地球外唯一一个地表覆盖大面积液体的世界。有些人喜欢将‘泰坦’称之为‘太阳系外侧的地球’。”洛佩斯参与了“卡西尼”号任务,但并没有参与两篇新论文的撰写。

舒尔策-马库赫教授说,“更大更复杂的外星生命,或许类似于地球上的放屁虫,把这些微生物当成是食物和水的来源。它还能利用类似‘火箭推进’的技术,在一个个孤立的能够维持生存的微生物群落之间迁移。”

其中一篇研究论文的主执笔人、约翰斯·霍普金斯大学应用物理学实验室的行星学家沙侬·麦克凯泽表示:“‘泰坦’是太阳系内最有趣的卫星。研究‘泰坦’让我们遭遇很多挑战,但我认为一切都是值得的。我们不能直截了当地对‘泰坦’进行研究。这颗卫星向我们抛出了很多难题。”

科学 4土卫六泰坦,太阳系里除地球以外唯一表面有液态湖泊存在的星球,不过那里的湖泊里不是水,而是液态的甲烷或者乙烷。水在泰坦上会被冻得像石块一样坚硬,无法保持液态。图片来源:NASA/JPL/University
of Arizona

科学 5

如果生命存在于土卫六泰坦或者宇宙中其他某颗类似于泰坦的行星上,它的细胞液就必须要用水以外的其他东西了。

科学,“卡西尼”号飞船获取的图像,展示了土卫六“泰坦”北半球的湖泊和海洋。土卫六是太阳系内除地球以外唯一一颗地表存在稳定液体的星球。土卫六上的湖泊和海洋主要由甲烷和乙烷构成

舒尔策-马库赫教授说,“一种可能性是甲烷或者乙烷这样的液态碳氢化合物。无水基生命形式或许能够在占据泰坦很大一部分地表的液态甲烷和乙烷湖泊中生存,就像地球上的有机体生存在水中一样。”

麦克凯泽对一个潜在难题进行了分析。“卡西尼”号飞船曾发现三个疑似液态湖的小规摸地貌特征。但当这艘飞船重返这一区域时,湖水已经干涸。观测结果表明这些液体要么蒸发,要么渗入周围区域。

这样的外星生命可能用氢来取代氧,让它跟大气中的高能乙炔反应,产生甲烷而非二氧化碳。

麦克凯泽和其他论文作者认为这些“幽灵湖”可能是土卫六存在季节变化的证据。“卡西尼”号的两次观测间隔7年。在此期间,土卫六的北半球从冬季变成春季。不过,情况或许并不这么简单,因为两组观测数据由不同仪器获取。在设计上,“卡西尼”号使用雷达或者红外相机收集数据,而不是两个仪器“双管齐下”。第一次飞掠时,因为成像区域太暗,无法使用相机。

在极为严寒的环境中,这些有机体的细胞可能会非常巨大,代谢速度也极其缓慢。

科学 6

缓慢的新陈代谢可能意味着,这些生命演化和衰老的速度要比地球上的生命缓慢许多,可能会极大地延长有机个体的寿命。

艺术概念图,“卡西尼”号造访土星系统

舒尔策-马库赫教授说,“在地球上,对于不同有机体采取的不同生物策略,我们也还只是触及到了皮毛。不过我们知道的东西已经很惊人了。宇宙中其他地方存在生命的可能性甚至会更加惊人。”

麦克凯泽必须将观测仪器的变更作为一个潜在变量。不过,她仍旧相信两次飞掠期间发生了一些变化。这片区域可能一度存在大量液体,随后又消失踪影。如果两次飞掠发现的信号差异由其它现象导致,仍能为科学家提供线索,以进一步了解这颗奇异的卫星。长久以来,科学家便在搜寻地外生命迹象,土卫六正是热门候选星球之一。

描述这些最新成果的论文,发表在最近出版的学术期刊《生命》(Life)上。(编辑:Steed)

麦克凯泽说:“如果我们在土卫六表面发现了某种新物质,仍旧是一项非常有趣的发现,因为‘泰坦’上的沉积物对前生命化学过程具有重要意义。”尽管麦克凯泽只将目光聚焦于疑似消失的三个小湖。“卡西尼”的观测区域内实际存在大量湖泊。在第二篇论文中,科学家阐述了如何利用雷达数据对一些面积更大的湖泊进行研究。

参考文献

  1. Dirk Schulze-Makuch et al. 2015. The Physical, Chemical and
    Physiological Limits of Life. Life 5 (3), pp. 1472-1486; doi:
    10.3390/life5031472

科学 7

“卡西尼”号获取的雷达数据揭示了土卫六液态甲烷/乙烷海洋的深度

2017年4月,“卡西尼”号最后一次飞掠土卫六时,这艘飞船奉命收集湖区的一种特殊类型数据,即测高学数据,用于测算不同物质的高度。加州理工学院行星学家马克·马斯特洛吉斯珀曾用类似数据测算土卫六液态海洋的深度。“卡西尼”号项目组希望对湖泊进行同样的测算。

根据马斯特洛吉斯珀及其同事的测算,土卫六某些湖泊的深度超过100米,主要由液态甲烷构成。他说:“我们发现这些湖泊的构成与土卫六上的液态海洋非常类似。我们认为这些湖泊由当地的‘降雨’进行补给。在盆地内,‘湖水’最终消失踪影。”这说明土卫六的地下可能存在另一个与地球类似的地貌——洞穴。

科学 8

“卡西尼”号的观测表明土卫六表面存在一个巨大的湖泊。土卫六表面的液体主要是甲烷,固态表态则由水冰构成

在地球上,很多洞穴由水溶解周围的岩石形成。这个过程会造就喀斯特地貌。喀斯特地貌以泉水、含水层、洞穴和落水洞为主要特征。对土卫六湖区进行研究的科学家认为,他们发现了类似的喀斯特型地貌特征。不过,他们并未发现将各种液体相关地貌连接在一起的渠道,这也就是为什么马斯特洛吉斯珀和其他科学家怀疑某些液体可能渗入周围岩层,就像地球上的喀斯特地貌一样。

洛佩斯说:“‘泰坦’是一个在地质上与地球类似的世界。研究液态湖泊和海洋与地质特征之间的交互是我们此前无法做到的。”在土卫六“泰坦”上,科学家发现了这种交互并展开研究。不过,这种研究要面临很大难度,毕竟“泰坦”并不是“卡西尼”号任务或者其它任务的首要目标。

科学 9

“蜻蜓”任务艺术概念图

洛佩斯说:“我们正在讨论的潜在探索任务,派遣机器人探测器钻进土卫六和火星的熔岩管和洞穴。也许在将来的某一天,我们便会派遣机器人勘测外星球的熔岩管和洞穴,看看能够在这些地下世界得出怎样的发现。”

这种勘测任务不可能在近期内成为现实。现在,美国宇航局正谋划一项名为“蜻蜓”的计划,旨在派遣无人机勘测土卫六。如果付诸实施,“蜻蜓”任务将于2025年发射,9年后抵达土卫六。如果宇航局不选择“蜻蜓”计划,其它任务设想便有了实施机会。麦克凯泽说:“土卫六是一颗很酷的星球,我们有必要再度造访。”

4月15日,《自然·天文学》杂志刊登了麦克凯泽和马斯特洛吉斯珀的论文。

翻译:牛树军

相关文章

Leave a Reply

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注