20191119 NASA 科學家證實木衛二(歐羅巴)上有水蒸氣

2019/11/26 79 天文探索 , 太陽系 , 探索任務 , 木星

四十年前,航海家號探測器拍攝了木星 79 顆衛星之一「木衛二(歐羅巴)」的第一張特寫照片。這些照片揭示了褐色裂縫將其冰冷表面切成薄片,並使歐羅巴看起來像是眼球。 從那以後的幾十年中,對外部太陽系的任務已經收集了足夠多有關歐羅巴的訊息,使其成為 NASA 尋找生命的首要調查目標。

歐羅巴如此誘人的原因在於它可能擁有生命所必需的所有成分。科學家有證據表示冰表面下存在液態水,有時可能會在巨大的間歇泉中被噴發進入太空。但是,沒有人能夠透過直接測量水分子本身來確認水在這些羽狀噴流是存在的。現在,一支由美國國家航空暨太空總署(NASA)位於馬里蘭州格林貝爾特的戈達德太空飛行中心(Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland)領導的國際研究小組,首次在歐羅巴表面上探測到了水蒸氣。 該小組透過夏威夷最大的望遠鏡之一來觀測歐羅巴,並從而測量到了水蒸氣。

確認歐羅巴上方存在水蒸氣有助於科學家更好地了解其內部的運作。例如,它有助於支持一個想法,科學家對此充滿信心,因為它有一個液態水海洋,此海洋可能是地球海洋的兩倍大,在歐羅巴厚厚的冰殼下面晃動。一些科學家懷疑,羽狀噴流的另一個水源可能不是來自於歐羅巴表面以下融冰水的淺水庫。木星的強輻射場也有可能從歐羅巴的冰殼中剝離出水顆粒,儘管最近的調查反對這種機制是觀察到的水的來源。


▲ 左圖是航海家1號探測器於 1979 年 3 月 2 日從 290 萬公里(180 萬英里)處拍攝的歐羅巴全景。中間是航海家2號探測器在 1979 年 7 月 9 日近距離飛掠期間拍攝的歐羅巴彩色影像。右圖是由伽利略號探測器在 1990 年代後期拍攝數據製成的歐羅巴影像。(圖片來源:NASA/JPL)

負責水探測研究的美國國家航空暨太空總署(NASA)行星科學家盧卡斯·帕加尼尼(Lucas Paganini)說:「基本化學元素(碳,氫,氧,氮,磷和硫)和能源,在整個太陽系中發現了三個生命必需元素中的兩個。但是,第三個 - 液體水始終很難在地球之外被找到」。「雖然科學家還沒有直接檢測出液態水,但我們發現了另一個更好的東西:蒸氣形式的水」

帕格尼尼(Paganini)和他的團隊在 11 月 18 日的《Nature Astronomy》期刊上報導說:「他們檢測到歐羅巴釋放的水量(每秒5,202磅,或2,360千克),可以在幾分鐘內填滿一個奧林匹克規格的游泳池」。但是,科學家們還發現,水很少出現,至少要大到足以從地球上探測到的量。帕格尼尼說:「對我來說,這項工作的有趣之處不僅在於首次直接檢測出歐羅巴上方的水,而且還包含在我們的檢測方法限制範圍內缺乏的部分」。

的確,帕格尼尼的團隊在 2016 年至 2017 年的 17 個晚上的觀測中僅一次檢測到了微弱而又明顯的水蒸氣訊號。從夏威夷休眠的莫納克亞山火山上的 W. M. Keck 天文台觀測歐羅巴,科學家們看到了歐羅巴前半球的水分子。歐羅巴的一面始終朝著圍繞木星的衛星軌道方向。(歐羅巴像地球的月球一樣,被重力鎖定在它的宿主行星(木星)上,因此前半球始終面向軌道方向,而後半球始終面向相反方向)

他們在 Keck 天文台使用了一個光譜儀,透過天體發射或吸收的紅外光來測量天體大氣的化學成分。像是水之類的分子在與太陽輻射相互作用時會發出特定頻率的紅外光。


▲ 水分子與太陽輻射相互作用時會發出特定頻率的紅外光。(圖片來源:Michael Lentz/NASA Goddard)

水的證據

在最近的水蒸氣檢測之前,歐羅巴上已經有許多誘人的發現。第一個是來自美國國家航空暨太空總署(NASA)的伽利略號探測器,該探測器在 1995 年至 2003 年期間繞行著這顆巨大氣體星球,並測量了歐羅巴附近木星磁場的擾動。這些測量結果向科學家暗示著導電流體(可能是歐羅巴冰層下的鹹海)引起了電磁干擾。當研究人員在 2018 年更仔細地分析磁干擾時,他們發現了可能存在羽狀噴流的證據。

同時,科學家在 2013 年宣布,他們已使用美國國家航空暨太空總署(NASA)的哈伯太空望遠鏡檢測了歐羅巴大氣中羽狀結構的化學元素 - 氫(H)和氧(O),這是組成水(H2O)的成分。 幾年後,其他科學家利用哈伯太空望遠鏡捕捉到了羽狀噴流爆發的更多證據,當時他們捕捉了當歐羅巴經過木星前時輪廓上出現的手指狀投影的照片。

羅斯(Roth)的研究以及歐羅巴的其他先前發現,僅測量了地表以上水的成分。問題在於其他世界檢測水蒸氣是很具挑戰性的。現有探測器的探測能力有限,科學家使用地面望遠鏡在深空尋找水時,必須考慮水在地球大氣中的扭曲作用。為了最大程度地減少這種影響,帕格尼尼的團隊使用了複雜的數學和電腦模型來模擬地球大氣的狀況,以便他們可以根據 Keck 光譜儀傳回的數據,將地球大氣的水與歐羅巴的區分開來。

科學家很快就能夠靠近歐羅巴,以解決他們對這個世界內在和外在運作方式的各種疑問。即將到來的歐羅巴飛越任務預計將於 2020 年代中期開始,它將統整半個世紀的科學發現,這個開頭是一張神秘的眼球照片。

當探測器到達歐羅巴時,將對歐羅巴的表面、內部深處、稀薄的大氣層、地下海洋以及可能較小的活動噴口進行詳細調查。 探測器將嘗試拍攝任何羽狀噴流的影像,並使用質譜儀對在大氣中發現的分子進行採樣。 它還將尋找一個適合採樣的地點,將來的歐羅巴登陸器可以從中收集樣本。這些努力可進一步釋放歐羅巴的秘密及其擁有生命的潛力。


▲ 影片欣賞《Water Vapor Plumes on Europa》,中譯為「歐羅巴上的水蒸氣羽狀噴流」。

✎ 參考資料 · References

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