神秘的土卫六

□ 问 天

□ 詹 想

神秘的土卫六

□ 问 天

太阳系是人类所在的天体系统，由唯一的恒星太阳、八颗大行星、若干矮行星、众多的小行星、卫星和彗星等天体构成,它是一个大家庭。其中，卫星是指围绕行星运转的天体。有的行星没有卫星，如水星和金星；有的行星的卫星数目较少，如地球和火星，分别只有一颗和两颗卫星。有的行星则拥有众多卫星，它们各自组成一个绕行星运转的小家庭。例如，截至目前天文学家观测到木星拥有67颗卫星，土星拥有62颗卫星，天王星和海王星则分别有27颗和14颗卫星。新的观测发现，部分矮行星和小行星也拥有绕其运转的为数不多的卫星。

在太阳系各行星所拥有的卫星中，土卫六（又叫泰坦）尤其受人关注。尽管土卫六只是一颗卫星，但体积比水星还大，令人刮目相看。它的直径为5150千米，在太阳系所有卫星中排名第二，仅比木卫三略小，在土星的62颗卫星中它最大，可谓身手不凡。土卫六还拥有浓厚的大气层，大气的主要成分是氮气，跟地球大气相似，这一点引起了天文学家的广泛兴趣；根据空间探测得知，土卫六主要有岩石和水冰构成。与地球具有如此多的相同之处，因此，对于土卫六人们心中充满许多遐想。随着科学技术的发展，土卫六也成了人类空间探测的热点，它是除月球之外，第二个被人类探测器登陆过的卫星。

卡西尼号探测器拍摄的土星环、土卫十一和土卫六，小圆点是土卫十一，由于土卫六被云层围绕，所以看上去它朦朦胧胧。

土卫六的发现与探测

尽管土卫六的体积比月亮和水星都大，但是，距离地球和太阳都十分遥远，它是夜空中一个非常暗弱的天体。它的平均视星等为8.4等，无法被肉眼直接看见，但是利用小望远镜或者精良的双筒望远镜可以观测到它。不过，经验不足的天文爱好者可能并不容易找到它，原因是土卫六处在明亮的土星及其亮环附近，常被它们的亮光干扰。

1610年，意大利天文学家伽利略通过改进自己的天文望远镜，增强了它的性能，发现了木星的四颗卫星，这件事对荷兰天文学家惠更斯（也是历史上有名的物理学家和数学家）给予极大的鼓励。1650年前后，惠更斯说服当时身为重要政治人物的哥哥，最终获得他的支持，建造了一架天文望远镜。从此惠更斯勤勤恳恳地进行天文观测，功夫不负有心人，1655年3月25日，他发现了土星的第一颗卫星，也就是土星的最大卫星土卫六。至2015年惠更斯发现土卫六已整整360年了。

土卫六的发现者，荷兰天文学家兼物理学家和数学家克里斯蒂安·惠更斯。

旅行者2号探测器的美术图，旅行者2号于1977年发射，目标是探测外太阳系和星际空间。

由于土卫六距离地球十分遥远，并且受到土星及其光环的不利影响，在它被发现后的200多年中，人类对土卫六的了解没有显著的进展。进入20世纪后，随着天文观测技术的发展，天文学家对土卫六才取得了不少新的认识。1907年，西班牙天文学家何塞普·科马斯·艾·索拉（Josep Comas i Solà）观测发现土卫六边缘部分逐渐变暗，这是土卫六存在大气层的证据。1944年，著名天文学家柯伊伯利用光谱手段，发现土卫六大气中含有甲烷。20世纪70年代，美国国家航空航天局发射了“先驱者行星际探测器-11（Pioneer 11）”和两个“旅行者号行星际探测器（Voyager 1 and 2）”，2004年美国国家航空航天局联合欧洲空间局和意大利空间局，发射了“卡西尼-惠更斯号行星际探测器（Cassini–Huygens）”，这些探测器能够近距离接近、甚至登陆土卫六，对其进行探测，获得了大量宝贵资料。

土卫六的运动与内部结构

土卫六在土星的所有卫星中体积最大，质量也最大，所有其他卫星的质量加到一起也仅有它的4.2%。土卫六围绕土星公转一周需要15天22小时，它的自转周期等于公转周期。因此，在它围绕土星公转的过程中，面向土星的半个球面始终保持不变，这一点同月球围绕地球的转动过程十分相似，月球也是始终以相同的半球面朝向地球。土卫六的公转轨道面接近土星赤道面，两者夹角很小，只有0.346度，公转轨道近似圆形。

巨大的土卫六，其内部结构如何？长久以来，人们不得而知。而仅靠地面的观测，天文学家无法进行有效的研究，只有在空间飞行器对其进行探测后，这个问题才有了初步的结果。根据卡西尼号探测器的探测数据，科学家推断，土卫六的内部结构分为化学组成和物理状态不同的几个层次。从中心到半径1700千米以内的最内层为坚硬岩石构成的中心球，中心球外是高压冰层，然后是含有氨的液态水层，最外是冰壳层，表面之上还有一层厚厚的大气。

土卫六的结构

土卫六极区上空的甲烷云（左图）和地球极区上空的云（由水构成）（右图）

土卫六的大气与天气现象

卡西尼号探测器拍摄的土卫六照片，土卫六大气层非常厚

在太阳系的所有卫星中，唯有土卫六拥有特别浓厚的大气层，这一点其他卫星都无法相比。尽管土卫六比地球小很多，但是它周围的大气比地球还多，大气质量是地球大气的1.19倍，表面的大气压是地球表面大气压的1.45倍。由于土卫六的引力小，以致它的大气层延伸的高度更大，也就是它的大气层更厚。正是由于浓厚的大气层的存在，在地球上观测，土卫六可视圆面的直径比木卫三还大，直到1980年旅行者1号空间探测器到达土卫六，它的真实大小才被揭示出来。

根据空间探测器的探测结果，在土卫六大气的平流层中，氮气的含量占98.4%，甲烷占1.4%，氢气占0.1～0.2%，还有微量的乙烷、一氧化碳、氩气和氦气等。根据卡西尼号探测器的观测，土卫六大气的转动速度比它的表面还快，这一点与金星类似。

土卫六距离太阳十分遥远，它接收到的太阳辐射仅为地球的1%，因此，土卫六的表面温度很低，约-180℃。土卫六大气中的甲烷是一种温室气体，类似地球大气中的二氧化碳，有利于提高温度，但是，土卫六大气中的其他雾霾，反射太阳光的能力很强，非常不利于升温。有趣的是，土卫六的大气上空也出现云层，云层的主要组成为甲烷、乙烷等。有云就可能会降雨，这是地球大气层中的规律，这一点在土卫六上也适用，也就是说，土卫六的云层也会产生降雨，不过降到土卫六表面的不是雨水，而是甲烷雨。

土卫六的表面状况

土卫六上带有雾霾的大气非常浓厚，地基光学望远镜几乎看不见它的表面状况。飞临土卫六的空间飞行器，特别是卡西尼号探测器，利用红外及雷达观测，对土卫六的表面进行了探测，获得了许多宝贵资料。总的来看，土卫六地表复杂，受流体作用明显，地质年龄比较年轻，仅仅1亿～10亿年。土卫六表面既有粗糙的区域，也有平坦的区域；有的区域呈现出延长几百千米的条纹状结构；土卫六表面还有山脉、海洋、湖泊、沙丘和环形山等地理特征。

在土卫六表面，汇聚成土卫六的海洋和湖泊的不是水，而是液态甲烷以及液态乙烷。多数湖海分布在两极地区，赤道地区较少。同地球相比，湖海所占的地表面积很小。土卫六上面积位列第二的莱支亚海（Ligeia Mare），面积147000平方千米，深度从几十米到数百米不等，它包含的甲烷液体可以灌满三个北美北部的密歇根湖。土卫六上的一些小湖泊非常浅，一般深度不超过10米。

土卫六表面的环形山数目非常少，而且往往呈现出被腐蚀和被改变的痕迹。比如，具有断裂不连续的边缘山脉，缺少中间凸起，等等。天文学家推测，土卫六之所以具有稀少的环形山，原因可能是某种地质过程的填充作用以及浓厚大气的保护作用。土卫六上的山脉又是怎样呢？2006年卡西尼号探测器探测到一座长150千米、宽30千米、高1.5千米的山脉，位于土卫六的南半球，山脉由坚硬的水冰构成，表面覆盖着甲烷形成的雪层。此外，多个空间探测器的探测表明，土卫六表面可能存在冰火山，不过还需进一步的细致观测。

土卫六的莱支亚海（Ligeia Mare），面积147000平方千米，位列第二。

左：惠更斯号拍摄的土卫六表面照片，可以看见形状像石头的冰块。

右：对比地球沙丘地带（上图）与土卫六上的沙丘地形（下图）。

21世纪初期，哈勃望远镜观测到跨越土卫六赤道的黑暗区域，天文学家猜疑这里是海洋区域。卡西尼号探测器到达土卫六后，对赤道附近的黑暗区域进行了细致观测，发现这里是被沙丘覆盖的广阔平原，沙丘的高度达100米，宽大约1000米，长度可延伸数十到数百千米。组成沙丘的不是土壤或碎石，而是被甲烷雨冲刷形成的地表冰层，主要成分是甲烷等有机物，水的含量较少。

关于土卫六上生命现象的猜想

在过去的探测中，卡西尼-惠更斯号探测器并没有在土卫六上发现生命痕迹和复杂的有机化合物。但是天文学家认为，土卫六表面及其大气的物理状况跟原始地球的情况类似，特别是它的大气组成，除了没有水气以外，其他组成非常像地球的原始大气。为此，美国科学家在实验室中，模仿土卫六的大气组成，对其进行光化学实验，结果发现，实验产生出许多构成生命的化合物，包括核苷酸分子和氨基酸分子等。有趣的是，在上述实验的启发下，有些科学家设想，土卫六上也会发生生命的创生和演化过程，就像早期的地球。科学家们认为这一过程可能发生在土卫六表面下氨或水的海洋中。

另一些科学家则另辟蹊径，认为土卫六的生物生活在它的甲烷构成的湖泊和海洋里。地球生物吸进氧气，呼出二氧化碳，通过葡萄糖进行新陈代谢。土卫六上的生物不同于地球生物，它们吸进氢气，呼出甲烷，通过乙炔进行新陈代谢。这是一种全新的生物种类，不过这仅仅是科学家的猜测。

土卫六上，在所有不利于生命存在的障碍中，低温是最为突出的，土卫六表面温度-180℃，是生物生存难以逾越的障碍。但是科学家认为，在遥远的将来，大约50亿年之后，当太阳变为一颗红巨星时，巨大的太阳可使得土卫六表面的温度升高，液态水则可以稳定存在，那时候土卫六将成为有利于生物生存的环境。当然，我们可以设想，到那时，随着土卫六表面温度的升高，土卫六内部冰壳层的融化将极大地改变土卫六的表面形态。根据惠更斯号的观测数据，人们推测土卫六的形态和45亿年前的地球极其相似，从土卫六的目前活动状况来看，如果不出现意外，一种新的类地生命或许将在15亿～20亿年后出现在土卫六上，到那个时候，地球生命在太阳系中将不再孤独。

（责任编辑 张长喜）

□ 詹 想