地外星体上的海洋是怎么被发现的？｜以木卫二为例
地球，这颗湛蓝星球上具有着广袤的海洋，多种元素在它的怀有会聚，又跟着水的循环去往国际遍地，从这个视点看来，这颗星球上的很多生灵都与它有关。那么，在太阳系中，海洋是不是地球独有的瑰宝呢？很长一段时间里，人类望着深邃孤寂的夜空，无法幻想在那样悠远冰冷的当地会有很多液态水的存在，直到勘探器传回了地下海洋存在的音讯。
木星的卫星——木卫二欧罗巴就因为或许具有海洋而出名于地球。不过，它在外太阳系“离群索居”，还用厚厚的冰层讳饰海洋的真容，行星科学家是怎样破解这两个难题然后发现了木卫二的海洋呢？
两个难题
难题一：间隔悠远
太阳系相片
（巨细依份额，间隔不依份额；图源wikipedia）
太阳是个奇特的大火炉，它以自身的质量构成强壮的引力“招引”着其他行星以它为中心“排排坐“，木星就携带着它的卫星们坐落在咱们称为外太阳系的当地。咱们的地球在内太阳系，内太阳系是相对其他行星而言更接近太阳的区域，包括类地行星和小行星带。类地行星指水星、金星、地球和火星，小行星带则散布在火星轨迹和木星轨迹之间，包括了很多小行星，谷神星是其间最大的一颗。外太阳系间隔太阳就比较远了，这儿安居了巨行星和它们的卫星们，如木星、土星、天王星和海王星，跟它们巨大的身躯比起来，地球倒显得娇小可人。
灰线表明地球与太阳的间隔 其均匀值为一个地理单位
（图源wikipedia）
或许，幻想外太阳系间隔咱们到底有多悠远还有些困难，地理学家们引进了这样一个概念——地理单位（AU）。这是一个地理学上的长度单位，1 AU≈1.496亿千米，地球到太阳的均匀间隔大约便是1 AU，而坐落外太阳系的木星到太阳的间隔约为5.2 AU。假如说将北京作为太阳所在地，将济南作为地球所在地，将二者之间的直线间隔约300 km作为一个间隔单位，那么依据份额核算，木星大约是住在拉萨了。
这还仅仅核算的直线间隔，假如考虑到轨迹等问题，那飞往外太阳系的旅程长度更是一个难以幻想的地理数字。尽管如此，不平的人类仍然将先驱者10号（Pioneer 10）和11号（Pioneer 11）、旅行者2号（Voyager 2）、伽利略号（Galileo）、新视野号（New Horizons）、朱诺号（Juno）等飞行器送抵了外太阳系，它们跨过了苍茫漆黑，为找寻地外海洋的前路带来一缕光辉。
难题二：冰层太厚
山脉上的雪线
（图源wikipedia）
在地球上，从山脚下爬山，跟着海拔升高，温度逐步下降，直到在某一海拔高度处冰雪的累积和消融相平衡，构成永久性积雪，这一海拔高度就被称为雪线。从地球飞往外太阳系的进程跟爬山的进程相似，间隔太阳越远，取得太阳的能量越少，直到在某一方位的温度满足冷使得挥发性分子（如水、氨或甲烷）凝聚成冰并安稳存在，这一方位到太阳的间隔就被称为该分子的雪线，也被称为冻结线、霜线或冰线。水分子的雪线在离太阳不到5 AU的方位，那里的低温使得水分子凝聚成冰，所以，在雪线以外的木星体系的外表便理应被冰层所掩盖。不过，因为巨大的内部热量等原因，木星自身没有被冰层所掩盖，可是它的一些卫星却被厚厚的冰层罩上了奥秘的面纱。
部分冰卫星尺度比照图
（蓝字表明承认地下海洋存在；Nimmo, F. and R. T. Pappalardo, 2016）
这些被厚厚冰层掩盖着的卫星被称为冰卫星，它们巨细不一，有的在冰层之下具有海洋，有的乃至或许含有金属地核。在这些冰卫星中，木卫二（Europa）、木卫三（Ganymede）、木卫四（Callisto）、土卫二（Enceladus）和土卫六（Titan）被承认在冰层下存在海洋。已然它们的外表皆被数十乃至上百千米的冰层所掩盖，勘探器飞掠卫星外表的时分必定无法直接“看到”海洋，那人们又是怎么知道地下海存在的呢？
木卫二地下海洋的勘探阅历
木卫二欧罗巴（图源wikipedia）
木卫二在1610年被伽利略发现，是公转轨迹间隔木星第六近、直径和质量第四大的木星卫星。它的水冰外表有很多裂缝和条纹，深色区域是矿藏含量较高的区域，右下角的白色区域为碰击坑。
木卫二内部结构
（图源wikipedia）
办法一：近红外线成像光谱仪
20世纪90年代，由美国国家航空航天局（NASA）于1989年发射的伽利略号勘探器（Galileo）屡次飞越木卫二，并对其运用近红外线成像光谱仪进行成像。不同物质的分子结构不同，对特定波长的红外线会发生特征性吸收，该仪器便是经过丈量不同物质对不同波长近红外线的吸收状况进行成像的。假如木卫二的外表只遍及着水冰，那么仪器只会检测到水冰的特定吸收特征。可是，实际上除了检测到水冰以外，还检测到了硫酸镁等盐类物质的吸收谱峰。也便是说，木卫二上不是简略的“冰冻三尺”，它冷酷的冰层下还存在非冰化合物，比方已被检测到的盐类。因为液态水能够溶解这些盐类并或许经过木卫二上的裂缝将其源源不断地带到冰层外表，然后这些在外表保存下来的盐类被仪器所勘探到，所以这一勘探成果是地下海洋存在的直接依据。
木星的磁层
（图源wikipedia）
办法二：磁强计
一起，伽利略号还搭载了高灵敏度的磁强计，能够检测行星磁场。木星具有巨大的磁场，处在这样磁场中的物体，假如内部不具有活动的电导体，那就不会再发生磁场，该物体周围的磁场就能够被很好地猜测；反之，假如内部具有杰出的电导体，如活动的盐水，那该物体就会发生感应磁场。该磁场的发生原理便是法拉第电磁感应定律，运动中的电导体切开磁力线会感应生成自己的电流和磁场，这种磁场便是感应磁场。当搭载磁强计的伽利略号飞越木卫二对其磁场进行勘探时，成果跟猜测的总有不同。这便是因为木卫二内部或许具有上述所说的“杰出的电导体”，所以，在木星的磁场中，具有电导体的木卫二在运动的时分，就会切开磁力线，继而发生了被检测到的弱小但安稳的感应磁场。依据很多模仿，木卫二具有的“电导体”，很或许是冰层下的盐水海洋。
地外海洋示意图
（NASA/JPL-Caltech/Southwest Research Institute）
办法三：近红外线成像光谱仪
除此之外，2013年，美国国家航空航天局（NASA）的哈勃空间望远镜观测到木卫二的水蒸气喷射，并剖析以为这种喷射由海洋中的热水经过裂缝喷射到卫星外表并敏捷凝聚构成。随后，2016年抵达木星的朱诺号搭载着微波辐射仪对冰卫星下的物质成分进行了深化勘探。微波辐射仪能够宣布不同频率的微波，不同物质对微波的吸收和反射的特性不同，发生的回波信号就不同，由此能够揣度物质成分。在冰层较薄的方位，微波能够穿过数千米厚的冰层进行勘探，其初次直接证明了木卫二内部的确存在宽广的海洋。
持续向星斗大海前进！
我国天问系列勘探使命
（图源https://weibo.com/2645044133/M6YrqfAVi）
对地外海洋的深化探究有助于加深人类对生命来源、内部结构、宜居性等问题的知道，人们对“星斗大海”的探究也一直在路上。欧洲航天局（ESA）的木星勘探器（JUICE）在2023年4月发射，将在2030年左右抵达木星体系对木卫二、木卫三和木卫四进行探究；美国国家航空航天局（NASA）也将在2024年10月份发射欧罗巴快船（Europa Clipper），估计于2030年4月抵达木卫二进行探究。相同，我国的天问系列勘探工程也在如火如荼地展开，估计在2030年前后进行木星系和行星际穿越勘探使命“天问四号”。到时，飞向冰冷的外太阳系的勘探器，将为人类带来更多生命来源的消息。
美编：赵茹昕
校正：江淑敏 伍姝雨