为什么冥王星以外的矮行星内部可能有海洋

地球的北海海岸线，包括凯思内斯的邓肯斯比海蚀柱。（© George / Adobe Stock）

长期以来，人们一直认为地球是太阳系中唯一拥有海洋的行星，但人们开始怀疑，就连最令人惊奇的冰体内部也存在着地下海洋。

事实上，太阳系外的冰卫星和矮行星似乎在厚厚的冰层下有液态海洋。最近的研究表明，冥王星以外的天体内部甚至可能存在海洋。这令人惊讶，因为这些天体的表面温度远低于 -200°C。

七十年前，人们认为金星的大气层可能隐藏着一片全球性海洋，使人们无法看到它。但这一观点在 1962 年被推翻，当时航天器“水手 2 号”飞过金星，发现其表面温度过高，液态水无法存在。

不久之后，我们意识到，由于气候的重大变化，金星和火星上曾经存在的任何海洋数十亿年前就消失了。

潮汐加热
为我们重新认识太阳系海洋铺平道路的思维革命可以追溯到天体物理学家斯坦·皮尔 1979 年发表的一篇论文。该论文预测木星最内层最大的卫星木卫一内部温度极高，可能存在火山活动。

造成这种情况的热源是引力效应——木卫一和木星的下一颗卫星木卫二之间反复的潮汐牵引。木卫一绕行两圈，木卫二正好绕行一圈。因此，木卫一每绕行两圈就会超过木卫二，木卫二会定期反复受到潮汐牵引，导致木卫一的轨道无法变成圆形。

这表明木卫一与木星的距离在不断变化，因此来自木星的更强大的潮汐力的强度也在变化，这实际上扭曲了木卫一的形状。

木卫一内部反复的潮汐扭曲通过内部摩擦使它变暖，就像如果你把一根硬电线来回弯曲几次，然后用新弯曲的部分触摸你的嘴唇（用衣架或回形针试试），你就能感觉到温暖。

皮尔对潮汐加热的预测在发表仅一周后就得到了证实，当时“航海者一号”首次精密飞越木星并发回了木卫一火山喷发的图像。

木卫一是一颗岩石星球，没有任何形式的水，因此这似乎与海洋无关。然而，木星-木卫一-木卫二之间的潮汐牵引是双向的。木卫二也受到潮汐加热，不仅受到木卫一的加热，还受到下一个卫星木卫三的加热。

海洋世界，液态水以蓝色显示。从左上角开始顺时针依次为：木卫二、木卫三、木卫四、土卫二。（图片：NASA）

现在有充分的证据表明，在木卫二的冰壳和岩石内部之间，存在着深达 100 公里的海洋。木卫三可能有多达三到四层液体层，夹在冰层之间。在这种情况下，阻止液态水结冰的热量可能主要来自潮汐。

还有证据表明，木星最外层最大的卫星卡利斯托内部存在咸水区。这不太可能是由于潮汐加热，而可能是由于放射性元素衰变释放的热量。

土星有一颗相对较小的（半径 504 公里）冰冻卫星，称为土卫二，由于与较大的卫星土卫四相互作用产生的潮汐加热，其内部形成海洋。我们绝对肯定这个海洋存在，因为土卫二的冰壳会以某种方式摆动，而这只可能因为这个冰壳没有固定在固体内部。

此外，卡西尼号太空船还采集了该内部海洋的水和微量成分样本。测量结果表明，土卫二的海水一定与海底下的温暖岩石发生了反应，而那里的化学成分似乎适合微生物生存。

其他海洋
令人费解的是，即使是那些本不应有潮汐加热的卫星，以及根本不是卫星的天体，存在内部海洋的证据也不断增加。可能存在或曾经存在内部海洋的行星名单包括天王星的几颗卫星，例如天卫一、海卫一、海王星最大的卫星和冥王星。

这是我们拥有的 Ariel 的最佳照片之一。（图片：NASA/JPL）

距离太阳最近的内部海洋可能位于矮行星谷神星内部，不过现在那里可能大部分都已经结冰，或者只是由咸泥组成。

令我特别惊讶的是，冥王星之外还有海洋世界的迹象。这些迹象来自詹姆斯·韦伯太空望远镜最近发表的研究结果，该望远镜观察了覆盖阋神星和鸟神星的冰冻甲烷中各种同位素（原子核中中子数量较多或较少的原子）的比例。阋神星和鸟神星是两颗矮行星，比冥王星略小，也比冥王星遥远得多。

作者声称，他们的观察结果证明了内部海洋水与海底岩石发生化学反应，也证明了相当年轻、甚至可能是现在的水柱的存在。作者认为，岩石中放射性元素衰变产生的热量足以解释这些内部海洋如何保持足够的温度以避免结冰。

目前阋神星和鸟神星可能存在的条件范围。（图片来源：西南研究所）

您可能想知道，这一切是否能增加我们发现外星生命的机会。我很遗憾打扰了大家的兴致，但在今年于休斯顿举行的月球和行星科学大会（3 月 11 日至 15 日）上，有几篇论文报告称，木卫二海底的岩石一定非常坚硬，断层无法将其裂开，从而在其海底形成温泉（热液喷口），为早期地球上的微生物提供养料。

可能其他地下海洋也同样不适合居住。但到目前为止，我们仍然抱有希望。

作者
David Rothery，英国开放大学行星地球科学教授

（来源：对话）