恩克拉多斯的喷泉

　　火星陨石坑
　　土卫二，也就是恩克拉多斯星球，是一颗迷人的星球。在旅行者号的眼中，它的外观与欧罗巴实在太像了，以至于很多人会分不清欧罗巴和恩克拉多斯。它们都是表面十分光滑的白色星球，两者都有被称为＂虎皮斑纹＂的条纹，只是欧罗巴的条纹呈现出红褐色，而恩克拉多斯的条纹呈现淡蓝色。另外，它们的表面还分布有很少的陨石坑。恩克拉多斯很小，直径只有500千米多一点，比月球小多了（月球直径约是3476千米），它的表面重力大约只有地球的万分之一。
　　2005年2月17日，已经抛出了惠更斯号着陆器的卡西尼号轻装上阵，飞到距离恩克拉多斯1264千米的位置，这个距离创下了当时的历史纪录。在这之前，人类探测器与恩克拉多斯的最近距离是旅行者2号创下的8.7万千米。当然，1264千米也不是最近的，这与卡西尼号3年多后与它的亲密接触相比，就好比拉手与接吻的区别。卡西尼号携带着当时全世界最先进的成像系统，对着恩克拉多斯拍摄了一张照片。正是这张照片，让恩克拉多斯从太阳系家族中脱颖而出，逐步成为最耀眼的巨星。虽然这张照片还不是十分清晰，但足以引起科学家们的强烈兴趣。于是，他们控制卡西尼号一次又一次地接近恩克拉多斯，试图拍到更好的照片。
　　这张照片清晰地显示出，恩克拉多斯的表面有羽毛状的喷流。这说明这颗星球上存在着火山活动，恩克拉多斯成为太阳系中第四颗被证实今天依然存在火山活动的星球。第一颗当然是我们的地球，第二颗是木卫一伊奥（Io），第三颗是海卫一特里同（Triton），它们的火山都是被旅行者号证实的。更加令人惊讶的是，卡西尼号上携带的先进仪器分析出，恩克拉多斯表面喷出的物质竟然是经过电离(1)的水蒸气。换句话说，恩克拉多斯上有水！当然，因为恩克拉多斯几乎没有大气，所以表面温度极低，水只能以冰的形式存在。但存在水冰，这已经是一个极为重大的发现了。假如恩克拉多斯也像欧罗巴一样，表面覆盖的是厚厚的冰层，那么，整个恩克拉多斯的水量也是极其惊人的。所有这一切，都激起了科学家们对恩克拉多斯的强烈兴趣。
　　从此，卡西尼号最重要的使命就是一次又一次地飞掠恩克拉多斯，尽可能多地捕获各种能揭示这颗星球秘密的线索。2008年10月9日，卡西尼号创下了与恩克拉多斯亲密接触的新纪录，距离近到不可思议的25千米(2)，这就相当于地球上高空侦察机的作业高度。
　　也就是在这一年，喷气推进实验室一位名叫坎迪斯·汉森（Candice Hansen）的科学家有了一项非常重要的发现。他仔细分析了卡西尼号2008年采集到的数据，发现有一些羽状物的喷发速度高达2189千米／小时。如果说恩克拉多斯上只有冰，这些羽状物是冰被喷出后再升华成了水蒸气，那么不太可能达到这么高的速度。汉森认为，最大的可能就是在恩克拉多斯的冰层下面存在着液态水，火山直接把液态水喷发出来了，所以才能达到这么高的速度。也就是说，恩克拉多斯的火山就像是一把高压水枪，直接把恩克拉多斯内部的液态水喷到了几万米的高空，形成了羽状物质。假如这个猜想是正确的，那么这将会是一个震惊全世界的大发现——这意味着我们继欧罗巴之后，又发现了一个地球以外的海洋。海洋总是让我们激动万分，原因很简单——地球上的海洋孕育了生命。凡是与外星生命沾上边的天文发现都是会引起轰动的大发现，我们实在太想知道除了地球之外，宇宙还有没有生命。
　　卡西尼号拍摄的恩克拉多斯
　　只是，汉森的发现还不能构成＂恩克拉多斯存在海洋＂的直接证据，只能算是一个非常重要的线索。如何才能证实恩克拉多斯的冰下有海洋呢？有些读者可能想到了我们在介绍欧罗巴冰下海洋的时候，用陨石坑的形状作为证据之一。很遗憾，恩克拉多斯上没有这样的陨石坑，或许是我们的运气还不够好，或许是因为它的冰层实在太厚了，也或许陨石刚好没有砸到存在海洋的位置。总之，卡西尼号没有找到陨石坑的证据。这件事情一度让NASA的科学家们一筹莫展。
　　令人没有想到的是，这个难题竟然被一位意大利科学家意外地解决了。为什么是意大利？大家还记得卡西尼号的三个投资方吗？分别是美国国家航空航天局、欧洲航天局和意大利航天局。虽然意大利航天局出的钱还不到一个零头，但那也是钱啊，他们随之深度参与了卡西尼号的数据分析。罗马大学（Sapienza University of Rome）的卢西亚诺·艾斯（Luciano Iess）教授是一位资深的航空航天工程师，协助意大利航天局分析数据。他找到了一个非常巧妙的办法分析恩克拉多斯的内部构成。这个办法绕了很多个弯，你要有点心理准备，我要开始一大段较为枯燥，但非常能体现科学破案魅力的讲解了。
　　卡西尼号传回的恩克拉多斯水蒸气羽流效果图
　　首先，卡西尼号在飞行过程中每时每刻都在给地球回传无线电波，这些电波的发射频率是固定的，这是一个重要的前提。但是，我们接收到的来自卡西尼号的无线电波的频率却不是固定的。知道为什么吗？有些资深读者可能马上就反应过来了，这还不简单，因为多普勒效应(5)嘛。是的，因为卡西尼号相对于地球的速度不断发生着变化，所以我们接收到的频率就是不断变化的。
　　通过频率的变化情况，我们就能反推出卡西尼号的速度变化情况，精度可以高到令人咋舌。欧洲航天局卡西尼-惠更斯号的网页显示，每秒0.2—0.3毫米的速度变化都能被这个方法测量出来(6)。说实话，我看到这个数据时是惊得合不拢嘴的，这远远超出了我的想象，我被科学的魅力深深折服。这个速度变化值是探索恩克拉多斯内部结构的关键线索。请你开动脑筋想一想：如果你是科学家，你怎样从卡西尼号的速度变化中了解恩克拉多斯的内部结构呢？
　　没想出来一点都不用难过，否则人人都是科学家了。我告诉你，卡西尼号不断地飞掠过恩克拉多斯，每年要飞掠很多很多次。科学家们注意到，在卡西尼号飞掠过恩克拉多斯表面的时候，速度值会发生微小的变化。想想看这是什么原因导致的？
　　任何星球的形状都不可能是一个完美的球体，表面都会有起伏，恩克拉多斯当然也不例外，它的表面有凸起的山峰，也有凹陷的陨石坑。当卡西尼号在这些凹凸不平的表面经过时，恩克拉多斯对卡西尼号的引力就会产生微小的变化。引力的变化就会反映到卡西尼号飞行速度的变化上，而其飞行速度的变化又反映到无线电波频率的变化上。你看，科学家们通过电波频率的变化就能计算出恩克拉多斯表面地形的变化。
　　那怎么才能继续知道恩克拉多斯的内部结构呢？这才是关键问题。其实，对于恩克拉多斯来说，用频率变化的方式来测地形是完全没有必要的，因为这是脱裤子放屁——多此一举嘛！因为卡西尼号的光学成像系统可以把恩克拉多斯的表面地形以非常高的精度绘制出来，根本不需要兜一个圈子来间接推算。
　　但是，我不知道你有没有灵光乍现，想明白卢西亚诺·艾斯教授的巧妙方法。我继续给你解释。现在，你假想自己是一名科学家，手头有一张用照相机拍到的精确地形图，然后你打算用频率变化的数据再绘制出一张恩克拉多斯的地形图，再然后，你假想自己把绘制出来的图和实际拍到的图叠加在一起，在忽略掉那些理论上的系统和测量误差后，你预期它们会基本重合吗？
　　答案是都有可能。
　　如果它们是基本重合的，就说明构成恩克拉多斯的物质密度处处均匀。如果它们是不重合的，就说明构成恩克拉多斯的物质密度不均匀，有变化。
　　如果没想明白以上结论，我再给你讲个故事。当年人类第一次在珠穆朗玛峰上空测量地球的引力变化时惊讶地发现，在同样的高度，引力居然和平原上空没有什么显著的变化。这当然不是牛顿的万有引力定律错了，而是说明珠峰的根部以及延伸到地表数十千米以下的岩石密度比珠峰其他部分的密度要小得多，所以引力才没有发生显著变化。后来人们发现，地球上的大多数山脉都有这种密度补偿现象，地表凸起得越高，地表之下的密度就越低。
　　通过分析2010年4月到2012年5月卡西尼号多次飞掠恩克拉多斯的速度变化数据，卢西亚诺·艾斯教授和他的合作者绘制出了一张地形图，在和光学成像的地形图叠加后，他们发现，两张地形图在恩克拉多斯的南极附近明显不重合，说明南极地区的底层密度有差异。这里还有一个重要的原因，就是恩克拉多斯的南极附近有很多大大小小的陨石坑，造成了地形的变化很大，地形变化越大，越能比较出差异。水的密度比冰的密度大，用来解释这种密度变化非常合适。好了，作为科普来说，我讲到这里就差不多了，具体的分析方法比我说的还要复杂得多，但基本原理就是这样。引力分析再加上之前的其他各种间接证据的佐证，使得科学家们可以得出有把握的结论。
　　2014年4月3日，NASA正式宣布：计算表明，至少在恩克拉多斯南极附近30千米厚的冰层之下，有着一个深达10千米的冰下海洋。这个海洋的面积到底有多大，是否延伸至赤道甚至一直蔓延到北半球，目前还无法得知，存在各种可能性。但南极附近的冰下海洋是证据确凿的，这个研究成果的论文同时发表在了著名的《科学》杂志上。
　　NASA发布的恩克拉多斯结构示意图
　　这个研究成果一公布，立即吸引了全世界天文爱好者的目光，恩克拉多斯也一跃成为太阳系中的头号明星，科学家们对它的重视程度一下子就超过了欧罗巴。虽然同样有冰下海洋，但恩克拉多斯的地表喷泉直通海洋，而欧罗巴的海洋当时还被认为冰封在十几千米厚的冰层下。这时候距离发现欧罗巴的水蒸气羽流还有两年多的时间，人们还不知道欧罗巴的喷泉。
　　而且，最重要的一点是，此时的恩克拉多斯附近，人类的探测器卡西尼号还在正常工作，状态良好，完全有能力延长任务，继续对恩克拉多斯进行探测。接下来我们该怎么做才能得知恩克拉多斯的冰下海洋中还有着哪些物质呢？我想这不难猜出来吧，我们可以控制卡西尼号从喷发出的羽流区域中穿过，然后收集羽流中的物质，分析化学成分。卡西尼号恰好具备这个能力。
　　到此时，卡西尼号早已超额完成了原计划任务，完全可以光荣退役了。但随着一系列让人惊喜的发现接踵而至，NASA和欧洲航天局哪里舍得让卡西尼号退役啊，他们不断地投入经费，延长卡西尼号的任务周期。这些决定事后被证明是无比英明的，因为卡西尼号还将不断地令科学家们喜出望外。
　　美国东部时间2017年4月13日14时，NASA召开新闻发布会，宣布了又一个轰动全世界的大新闻。离现在这么近，我估计很多读者对那次新闻的轰动效应还记忆犹新吧。卡西尼项目的科学家琳达·斯皮尔克（Linda Spilker）在发布会上激动地说：＂那今天有什么新发现呢？我们从土卫二的羽流中发现了氢，它可以在土卫二的海底为可能存在的微生物提供能量。现在我要说，这一发现是卡西尼12年考察的结果，它确实代表了该任务的最新发现。因为我们现在知道土卫二存在着支持生命所需的几乎所有成分，我们在地球上所知道的就是如此。＂
　　最后一句是关键，琳达向全世界宣布：恩克拉多斯满足人类已知的地球生命形式所需的几乎所有条件！从这一刻开始，太阳系中寻找外星生命的头号目标从欧罗巴转移到了恩克拉多斯。听完这个消息，我很识时务地把正在创作的一篇科幻小说的发生地从欧罗巴改为恩克拉多斯。为什么说卡西尼号在固态羽流中检测到了氢元素如此重要呢？
　　按照目前我们人类对地球生命的认知，生命的诞生需要三个必不可少的条件：1.液态水；2.碳、氢、氧、氮、硫、磷等几种关键的化学元素；3.有可供摄入的能量来源。
　　此前卡西尼号的发现已经证实了前两个条件，这次，关键的第三个条件也被补上了。卡西尼号上的中性质谱仪证实，羽状喷泉中含有98%的水，约1%是氢气，剩下的是二氧化碳、甲烷、氨等其他分子混合物。这说明恩克拉多斯内部有着某种机制可以源源不断地产生氢气，这个发现极为重要。恩克拉多斯海洋底部的热水与岩石发生作用生成氢气。假如恩克拉多斯的海洋中存在生命，那么它们可以利用氢气和溶解在水中的二氧化碳来获得能量，从而产生甲烷，这种化学反应就是＂甲烷生成过程＂，这是地球海底热液喷口附近的生命活动过程。这个研究成果的论文发布在2017年4月的《科学》杂志上(8)，全世界几乎所有大媒体都报道了这条大新闻。
　　卡西尼号谢幕
　　5个月后，科学家们做出了终止卡西尼号任务的决定。卡西尼号一旦燃料耗尽，就必然失控，有可能最终坠毁在恩克拉多斯或者土星系统的其他卫星上。卡西尼号上极有可能携带来自地球的微生物，科学家们不允许卡西尼号污染外星球，所以他们决定让卡西尼号冲入土星浓密的大气层，被高温分解、烧毁。英雄的卡西尼号走完了它伟大的一生，最后的谢幕悲壮而华丽，让无数人热泪盈眶。
　　卡西尼号的飞行任务虽然结束了，但来自卡西尼号的研究成果却没有完结。13年来积累的探测数据是一个巨大的宝库，等着科学家们继续寻宝。2018年6月，《自然》杂志发表了一篇论文，标题为《来自土卫二深处的大分子有机化合物》，再次佐证了此前的结论：恩克拉多斯拥有生命活动的所有必要条件。
　　这篇论文对来自卡西尼号的数据进行了更加详尽的分析，证实在恩克拉多斯的羽流中含有浓缩和复杂的大分子有机物质，这些有机物的分子量大于200，这就表明，这种有机物只可能是大分子(9)结构。这些大分子要么是通过复杂的化学过程产生，要么就是来自某些陨石内的原始物质。最大的可能性是这些大分子碎片来源于恩克拉多斯的海底热液，正是这些热液活动驱动了土卫二核心内复杂的化学过程。
　　论文还有一个非常重要的结论。研究表明，在恩克拉多斯的海底热液喷口的裂隙、孔洞的表面，很有可能存在一层薄的、富含有机物的膜，随着这些海底气泡的破裂，就会产生复杂有机物质的核心。
　　所有这些研究成果都使得＂恩克拉多斯的海洋适宜生命生存＂这一假说更具说服力。
　　这就是截至目前人类对恩克拉多斯的最新认知。NASA对恩克拉多斯的下一个探测计划是SELFI（Submillimeter Enceladus Life Fundamentals Instrument），中文全称是＂亚毫米恩克拉多斯生命基础仪＂。这个计划是发射一颗专门用于探测波长在亚毫米级的无线电波探测仪，它有能力把恩克拉多斯上空羽流中的所有物质详细地检测出来。因为每一种分子，比如水分子、一氧化碳分子等，都像是一个微小的无线电台，它们都在发射特定波长的无线电波。当然，要探测到这些无线电信号，需要极其灵敏的仪器。过去我们的技术达不到，但是现在我们拥有了这种最先进的探测仪，就能通过无线电波精确探知每一种分子的存在。关于SELFI计划，目前最新的一条消息是2019年3月18日由NASA的官方推特发布的，表明这个计划仍然在顺利推进中，但是具体什么时候能发射，我没有找到任何信息。
　　让我们一起期待人类揭开恩克拉多斯生命之谜的那一天吧！我在幻想，说不定有一位青年才俊看完这一章后，立志要探索恩克拉多斯的生命，而在他的领导下，30年后，一台印着中国国家航天局标志的探险车成功踏上了恩克拉多斯的茫茫冰原……