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木衛三可能含有海洋與冰層層交錯的內部結構

pia18005-640

木衛三(甘尼米德,Ganymede)是太陽系中最大的衛星,比行星中的水星還要大,它也是著名的伽利略4大衛星之一。天文學家原本認為木衛三內部有一層厚厚的海洋,海洋上方與下方各有一層冰層,如同三明治一般;但是美國航太總署(NASA)噴射推進實驗室(JPL)Steve Vance領導的研究團隊最新研究卻發現:這顆衛星的內部可能有數層冰和數層海洋交錯出現結構,並不是單層三明治,而是數層交疊的總匯三明治。

有趣的是,這項研究的結果,顯然支持冰衛星中可能可發展並生存原始生命的概念。科學家認為水和岩石有交互作用的地方是生命的發展很重要的一點。例如:地球上生命很可能就從海底蒸騰滾動的噴溢口(vent)開始發展出來的。在Vance等人的研究發表之前,科學家認為木衛三海底是岩質的,在上方大量物質壓迫的強大壓力下,會在岩質海床上形成一層薄冰,但如此一來就很難讓生命在此浮現。然而,如果水中加入鹽分,電腦模擬結果顯示液態水密度足以沈至岩質海床上。所以「總匯三明治」結構的發現,能讓岩質海床結冰使生命無法發展的問題破冰。

NASA科學家最初在1970年代根據理論模型而提出木衛三可能擁有海洋的假設。到1990年代,藉由伽利略號(Galileo mission)太空船幾度近距離飛掠木衛三的機會,探測並確認木衛三的確擁有海洋,而且這個海洋還深達數百公里。伽利略號同時發現這個海洋可能是「鹽水」的證據,可能含有硫酸鎂之類的鹽類。

在以前的木衛三海洋電腦模擬研究中,一般都假設不同壓力下的鹽分都不會改變液態水的性質。但是Vance等人透過實驗室進行研究後卻顯示:木衛三和類似的衛星內部的極端壓力環境下,鹽分會改變液態水密度。鹽會改變海水密度這個論調看起來很奇怪,但其實很平常,您可以自行用家用食鹽加入玻璃杯裡的水來觀察,或者更直接的印象,就是鹽度很高的死海可讓人漂浮在水面而不會下沈這樣的現象。這是因為鹽並不會增加液體的體積,反而會因為鹽離子會吸引水分子,從而讓液體收縮而變得比較緻密。

這個電腦模擬會因考慮不同型態的冰而變得更為複雜。平日常見漂浮在飲料上的冰塊其實是所謂的I型冰(Ice I,I為羅馬數字,意為1),其密度是冰中最小的,甚至比水還小,所以會浮在水面上。但在高壓環境下,像木衛三地底深海處,冰分子彼此靠得更近,讓冰晶結構會變得比較緊密,比水還重而會沉落至海床。Vance等人認為木衛三海底的冰晶,應該是最密、最重的型態,稱為IV型冰(Ice VI,VI為羅馬數字中的4)。

將這些因素都考慮進電腦模型後,這些科學家得出的結果居然是除了岩質海床之外,海洋中其實還有三層冰層。其中,最輕的冰浮在最上層,最鹹、最重的冰則沈到下方。更甚者,電腦模擬結果還證明這裡的海洋有個非常奇異的現象:海洋裡會向上下雪(snow upward)。當海洋被攪拌,海水中形成冷冽蜿蜒的羽狀流時,在最上層的海水中會形成所謂的III型冰(Ice III,III為羅馬數字3),此時冰中的鹽分被排出,促使海水鹽分加重,密度更大,III型冰本身相較來說比較輕,因而向上浮,看起來就像是向上降下雪花一樣。只不過這些雪花在抵達海洋頂端之前就會融化;事實上,這些雪花大概到海洋中間的夾層時就已經融化了。

這些科學家表示:目前並不清楚這樣的多層三明治結構能維持多久。雖然這樣的結構看來似乎很穩定,但因為變因眾多,木衛三或許根本無法到達穩定狀態。

環繞太陽以外其他恆星公轉的系外行星,可能也有類似木衛三這樣的狀況。科學家認為有些超級地球,即比地球質量大2倍以上的岩質行星,可能是水世界,表面應該覆有一層海洋。那麼這樣的星球可能有生命存在於此嗎?Vance希望能藉由實驗室中實驗與電腦模擬雙管齊下,來研究並解決這個疑問。

木衛三是太陽系中5顆在表面冰質地殼下方可能擁有海洋的衛星之一。除木衛三外,其他4顆分別是木衛二(歐羅巴,Europa)、木衛四(卡利斯多,Callisto)、土衛六(泰坦,Titan)和土衛二(Enceladus)。歐洲太空總署(ESA)目前正在籌備一個太空任務JUICE(JUpiter ICy moons Explorer,木星冰衛星探測器),準備於2030年代前往拜訪木衛二、木衛三和木衛四,屆時將可針對這些冰衛星做更詳細的探索與瞭解。

資料來源:Ganymede May Harbor ‘Club Sandwich’ of Oceans and Ice. JPL NASA [May 01, 2014]

轉載自網路天文館

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