本文最初发布于 Knowable Magazine。
外太阳系充斥着液态水。木星第四大卫星欧罗巴（Europa）的冰壳下隐藏着一个咸水海洋——其水量比地球所有海洋的总和还要多。土星卫星恩塞拉多斯（Enceladus）的地下海将水蒸气喷射到太空中。此外，还有令人着迷的迹象表明，海洋也可能存在于木卫三（Ganymede）、木卫四（Callisto）、土卫六（Titan）以及其他遥远的卫星上。
现在，另一颗卫星似乎也隐藏着液体。以酷似《星球大战》中的“死星”而闻名的土星卫星米玛斯，其冰壳下可能蕴藏着液态水。如果属实，那么类似的海洋可能就隐藏在我们眼前，外太阳系可能比之前认为的更具宜居性。
2014年，科学家们首次发表了米玛斯“可能是一个水世界”的证据，引发了长达十年的争论。包括现任位于科罗拉多州博尔德市西南研究所的行星科学家Alyssa Rhoden在内的许多人对此可能性持高度怀疑态度。他们的理由很简单：米玛斯布满陨石坑的地表没有显示出内部海洋的迹象。与恩塞拉多斯一样，土星的引力应该搅动米玛斯内部的海洋，导致地表冰层出现大裂缝。但从未发现过这样的裂缝。
如今，形势可能已经逆转。两项研究，一项由Rhoden及其同事发表，另一项由巴黎天文台的Valéry Lainey及其同事发表，为米玛斯存在海洋提供了更强的证据，甚至解释了“表面上的难题”。研究共同表明，米玛斯可能拥有一个年轻且不断变化的海洋。如果真是如此，这将增加了外太阳系活动丰富的前景。这正是Rhoden最感兴趣的地方，她接受了《Knowable Magazine》的采访，讨论了潜在的海洋及其对科学家们可能带来的巨大益处。
本次采访已为长度和清晰度进行了编辑。
关于这些隐藏的海洋，我们知道些什么？
在很多方面，它们看起来和我们的海洋很像——至少在它们很可能由盐水构成这一点上。
从它们整体明亮的外观来看，我们知道这些海洋世界拥有冰冷的表面，这一点已经通过望远镜和航天器测量证实，探测到了水冰的特征。一些海洋卫星的密度甚至足够低，它们的内部可能混有冰与岩石。在热的作用下，这些水冰会融化成液态水，并会侵蚀岩石形成盐水。在恩塞拉多斯，盐水正方便地喷射到太空中。
考虑到外太阳系的寒冷程度，是什么产生了热量？
遥远的海洋起初可能似乎难以置信。如此远离太阳，融化冰所需的热量很难获得。但得益于引力上的一个奇特之处，外太阳系可以相当温暖。
以木星及其卫星欧罗巴为例。木星对欧罗巴施加强大的引力，使欧罗巴在指向木星的方向上被拉伸。由于欧罗巴的轨道是偏心的——它会靠近木星然后又远离——欧罗巴会随着时间被拉伸和释放。这会在内部产生摩擦，提供维持液态海洋所需的热量。
1979年，“旅行者”号任务飞掠木星时，我们首次看到了欧罗巴可能拥有地下海洋的迹象。欧罗巴看起来不像我们的月球，甚至不像内太阳系的大多数天体。它冰冷的表面上没有多少陨石坑，取而代之的是纵横交错的裂痕和破碎的碎片。你不需要仔细看就能想象到那里有些不一样的事情正在发生。
您提到了地表特征。我们还依赖哪些其他证据来探测隐藏的海洋？
一种方法是观察磁场。由于盐水是导电的，它可以在卫星周围产生一个磁场，从而扰乱行星的磁场。这是欧罗巴地下海洋的一个主要证据。
但这本身还不够。正是多种证据的结合才让我们得出存在海洋的结论。例如，我们还可以考虑测量地表的盐分以及卫星的引力如何拉动航天器。由于岩石或液态金属的密度与液态水的密度不同，这些拉力的强度提供了关于物质以及它在卫星内部何处集中的线索。
或者，我们也可以简单地观察卫星在轨道运行时，其面向何方。通常，这些小卫星总是以同一面朝向它们的母行星，就像我们的月球一样。但当卫星在其轨道上移动时，它指向的方向会前后稍微移动——导致可见部分的微小晃动。晃动的程度取决于内部结构。在海洋上方的冰壳比在岩石上方的冰壳移动得更自由，因此变化往往更大。这就是恩塞拉多斯海洋的探测方式。而这也是探测米玛斯海洋的最佳证据之一。
我们来谈谈米玛斯。您是如何开始研究这颗卫星的？
在我花了大约十年的时间研究欧罗巴和其他冰卫星之后，2014年米玛斯的论文发表了。该论文测量了可见部分的晃动或称“天平动”，这表明米玛斯要么拥有地下海洋，要么拥有一个形状奇特的核。
但海洋似乎是不可能的。米玛斯看起来很像我们的月球，表面布满陨石坑。它没有像欧罗巴那样的纵横交错的裂痕或破碎的碎片。当然，它也没有像恩塞拉多斯那样喷射出间歇泉。所以我看了一眼米玛斯，就说：“这绝不可能是海洋卫星。”但我意识到自己无法反驳这个想法。
这些年来，我一直把米玛斯放在心上，最终在2023年为《地球和行星科学年度评论》撰写了一篇论文。该论文排除了几种海洋情景，只剩下一个选择：一个近期形成的海洋，远在米玛斯本身形成之后。一个年轻的海洋可能是隐秘的。但它仍然只是一个假设。
最近的研究如何改变了这种看法？
2024年初，Valéry Lainey及其团队报告了支持米玛斯存在海洋的新观测证据。他们观察的不是天平动，而是米玛斯轨道随时间的变化——这些变化取决于内部结构。他们发现，这些变化无法用形状奇特的核来解释，海洋成为了最可行的选择。
我的团队的研究，于6月发表，进一步解释了缺乏可见地表裂缝的原因。我们认为，这个海洋非常年轻——只有约1000万年历史——以至于它只是最近才停止增长。我们认为，年轻的海洋搅动产生的潮汐应力可能不足以裂开上方的冰层。相反，需要的是当海洋最终重新冻结时产生的应力。由于米玛斯随着轨道偏心率的减小而损失热量，重新冻结——这在米玛斯上才刚刚开始——将导致上方的冰层破裂。
研究表明，米玛斯最终可能会失去它的海洋，这有点令人难过，因为它才刚刚被发现。但另一方面，米玛斯可能会成为新的恩塞拉多斯——土星最酷的新卫星——拥有深邃的裂痕，甚至可能喷射出水。
这项研究的大背景意义是什么？
我从地球物理学的角度对这个问题感兴趣。我们认为太阳系早期是炎热的时期，所有活动都在那时发生，然后一切都演变成一个更平静的状态。冥王星的卫星卡戎（Charon）可能已经失去了一个海洋。欧罗巴和木卫三的海洋已经存在了很长时间。一颗卫星在其历史的晚期还能形成一个新的海洋，而且我们还能观察到？这真是令人兴奋！这打开了任何一个世界，包括一个拥有古老、布满陨石坑表面的世界，可能正在经历类似转变的可能性。
此外，还有关于宜居性的关注——这些海洋是否适合支持生命。目前我们不知道太阳系中的任何海洋（除了我们自己的）是否宜居、曾经被居住过或目前是否被居住。但如果米玛斯真的有一个海洋，我们可能就能一窥这些世界是如何形成的，甚至是栖息地如何产生和消失的。能够观察到这些过程的发生，而不是总是回顾很久以前已经发生的事情的结局，这真是太令人兴奋了。
即将到来的任务有哪些可以提供更多信息？
欧洲空间局已经发射了“木星冰月探测器”（Juice），它将对欧罗巴以及暗示存在海洋的木卫三和木卫四进行详细观测。2024年秋季，美国宇航局将向木星轨道发射“欧罗巴快帆”（Europa Clipper），以确定欧罗巴是否具备适合生命生存的条件。
天王星系统是美国宇航局未来任务议程上的重点，我认为最近的研究在那里有最大的意义。它与土星系统惊人地相似，包括拥有富含冰、中等大小的卫星，类似于米玛斯和恩塞拉多斯。如果米玛斯有一个年轻的海洋，那么考虑在天王星的卫星中也可能存在水世界，这并非遥不可及。
本文最初发布于 Knowable Magazine，这是一个来自《年鉴评论》的独立新闻项目。订阅通讯。
