太陽系外圍行星周圍遍布著被冰層包裹的衛(wèi)星。其中一些，如土衛(wèi)二恩克拉多斯，在冰殼與巖石核心之間存在著液態(tài)水海洋，它們可能是太陽系中尋找地外生命的最佳場(chǎng)所。美國科學(xué)家的一項(xiàng)新研究揭示了這些星球表面之下可能發(fā)生的活動(dòng)，并為了解其多樣地質(zhì)特征的形成機(jī)制提供了線索。相關(guān)研究11月25日發(fā)表于《自然—天文學(xué)》。
“并非所有這類衛(wèi)星都被確認(rèn)擁有海洋，但我們知道部分確實(shí)存在。”論文第一作者、加州大學(xué)戴維斯分校地球與行星科學(xué)系副教授Maxwell Rudolph表示，"我們關(guān)注的是在數(shù)百萬年演化過程中塑造它們的地質(zhì)活動(dòng)，這讓我們能夠思考海洋世界的表面會(huì)呈現(xiàn)何種形態(tài)。"
冰衛(wèi)星表面形態(tài)。a，土衛(wèi)一。b，天衛(wèi)五。c，土衛(wèi)二 。d，天衛(wèi)三。e，土衛(wèi)八。土衛(wèi)二南極虎紋裂隙正發(fā)生活躍噴發(fā)。土衛(wèi)八存在成因未明的山脊。土衛(wèi)一可能存在地下海洋，天衛(wèi)五則呈現(xiàn)復(fù)雜多邊形構(gòu)造特征，被認(rèn)為源于對(duì)流作用。因透視效果，比例尺僅供參考。圖片來自：加州大學(xué)戴維斯分校
從山脈到地震，地球表面地質(zhì)的塑造源于星球深處巖石的運(yùn)動(dòng)與熔融。而在冰衛(wèi)星上，地質(zhì)活動(dòng)則由水和冰的作用驅(qū)動(dòng)。這些星體受到其繞行行星的潮汐力加熱。圍繞同一行星運(yùn)行的衛(wèi)星間會(huì)產(chǎn)生相互作用，導(dǎo)致周期性升溫與降溫。高溫期會(huì)融化并減薄冰層；當(dāng)熱力減弱時(shí)，冰層則重新增厚。
研究團(tuán)隊(duì)此前曾研究冰殼增厚時(shí)的變化，發(fā)現(xiàn)由于冰的體積大于液態(tài)水，凍結(jié)過程會(huì)對(duì)冰殼產(chǎn)生壓力，這可能形成如恩克拉多斯"虎紋裂縫"等特征。但若情況相反，當(dāng)冰殼自底部開始融化時(shí)會(huì)發(fā)生什么？研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為：可能導(dǎo)致海洋沸騰。
因?yàn)楫?dāng)冰融化為密度更低的液態(tài)水時(shí)，壓力會(huì)下降。研究團(tuán)隊(duì)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，至少在土星的彌瑪斯、恩克拉多斯等小型冰衛(wèi)星，或天王星衛(wèi)星米蘭達(dá)上，壓力可能降至足以達(dá)到冰、液態(tài)水與水蒸氣共存的"三相點(diǎn)"。
旅行者2號(hào)探測(cè)器傳回的米蘭達(dá)圖像顯示其表面存在被稱為"日冕"的脊?fàn)钌矫}與懸崖地貌。海洋沸騰理論恰好能解釋這些特征的形成機(jī)制。
直徑不足250英里的彌瑪斯星體表面坑洼遍布，巨大的隕石坑為其贏得“死亡之星”的綽號(hào)。Rudolph指出，雖然其表面看似地質(zhì)活動(dòng)停滯，但運(yùn)行軌跡的擺動(dòng)暗示著地下海洋的存在。由于冰殼變薄預(yù)計(jì)不會(huì)導(dǎo)致彌瑪斯冰殼破裂，地下海洋的存在與其沉寂的地表得以共存。
衛(wèi)星尺寸在其中起著關(guān)鍵作用。研究團(tuán)隊(duì)計(jì)算表明，在天王星的另一顆衛(wèi)星泰坦尼亞等大型冰衛(wèi)星上，冰融導(dǎo)致的壓力下降會(huì)在達(dá)到水三相點(diǎn)之前就引發(fā)冰殼破裂。研究者認(rèn)為泰坦尼亞的地質(zhì)特征可能是冰殼先變薄后增厚過程的產(chǎn)物。
Rudolph強(qiáng)調(diào)：“正如地球地質(zhì)學(xué)幫助我們理解數(shù)十億年變遷后的星球樣貌，解讀這些衛(wèi)星的地質(zhì)過程也能讓我們洞悉其獨(dú)特地貌的成因。”
相關(guān)論文信息：
https://doi.org/10.1038/s41550-025-02713-5
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