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Jul. 03 2023

重大發現:土衛二擁有所有生命組成關鍵元素

  • 土星第六大衛星土衛二表面噴發出蒸汽羽流的示意圖。ILLUSTRATION BY TOBIAS ROETSCH, FUTURE PUBLISHING/GETTY IMAGES

    土星第六大衛星土衛二表面噴發出蒸汽羽流的示意圖。ILLUSTRATION BY TOBIAS ROETSCH, FUTURE PUBLISHING/GETTY IMAGES

  • 卡西尼號拍攝的影像:太陽光從後方照亮土衛二,顯示出從南極地區噴發的噴泉狀霧氣(上下兩圖)。IMAGE BY NASA/JPL/SPACE SCIENCE INSTITUTE

    卡西尼號拍攝的影像:太陽光從後方照亮土衛二,顯示出從南極地區噴發的噴泉狀霧氣(上下兩圖)。IMAGE BY NASA/JPL/SPACE SCIENCE INSTITUTE

  • 藝術家描繪的土衛二內部剖面圖。美國航太總署的卡西尼號太空船發現土衛二上有全球性的海洋,而且可能有熱液活動。2.	ILLUSTRATION BY NASA/JPL-CALTECH

    藝術家描繪的土衛二內部剖面圖。美國航太總署的卡西尼號太空船發現土衛二上有全球性的海洋,而且可能有熱液活動。2. ILLUSTRATION BY NASA/JPL-CALTECH

  • 科學家認為活躍的熱液噴口可能會將土衛二的核心物質噴發到衛星的地下海洋,這些物質與水混合後,以水蒸氣和冰粒的形式釋放到太空之中。ILLUSTRATION BY NASA/JPL-CALTECH

    科學家認為活躍的熱液噴口可能會將土衛二的核心物質噴發到衛星的地下海洋,這些物質與水混合後,以水蒸氣和冰粒的形式釋放到太空之中。ILLUSTRATION BY NASA/JPL-CALTECH

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科學家相信土衛二是最有希望找到外星生命的星球之一,而現在科學家更在此找到生命六種必需成分的最後一種:磷。

土星第六大衛星土衛二表面噴發出蒸汽羽流的示意圖。ILLUSTRATION BY TOBIAS ROETSCH, FUTURE PUBLISHING/GETTY IMAGES

土星第六大衛星土衛二表面噴發出蒸汽羽流的示意圖。ILLUSTRATION BY TOBIAS ROETSCH, FUTURE PUBLISHING/GETTY IMAGES

科學家發現冰冷的土衛二(Enceladus)噴湧出「磷」,這是我們首度在地球以外的海洋發現此種對已知生命形式來說最為稀有的關鍵元素。

這種重要的元素能讓地球上的土壤變得肥沃,研究人員認為,土衛二隱匿海洋中的磷濃度可能比地球海洋至少高了100倍。這項新發現顯示,其他冰冷星球的水域可能一樣有磷存在,像是木星的第四大衛星木衛二歐羅巴(Europa)和土星最大的衛星土衛六泰坦(Titan)。

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磷酸鹽或含磷化合物是地球生命的關鍵組成成分──如DNA、RNA和細胞膜──所必需。柏林自由大學的行星科學家法蘭克.波斯特伯格(Frank Postberg)說,在生命所需的碳、氫、氮、氧、磷和硫等六種元素中,磷是「宇宙中最不常見的」。

卡西尼號拍攝的影像:太陽光從後方照亮土衛二,顯示出從南極地區噴發的噴泉狀霧氣(上下兩圖)。IMAGE BY NASA/JPL/SPACE SCIENCE INSTITUTE

卡西尼號拍攝的影像:太陽光從後方照亮土衛二,顯示出從南極地區噴發的噴泉狀霧氣(上下兩圖)。IMAGE BY NASA/JPL/SPACE SCIENCE INSTITUTE

在這六種生命關鍵組成成分中,天文學家先前還未在土衛二偵測到的唯一一種元素就是磷,雖然硫的偵測仍未能完全確認。從2004年開始,卡西尼號(Cassini)太空船飛入土星第二外側、由土衛二噴發冰粒組成的E環塵埃之中。現在,研究卡西尼號宇宙塵埃分析儀(Cosmic Dust Analyzer)所偵測冰粒的科學家發現了磷這種難以捉摸的元素,最近發表在《自然》(Nature)期刊上的新研究就詳細介紹了此一發現。

土衛二是土星的第六大衛星,寬度僅約505公里,小到足以納入亞利桑那州的邊界之內。2004年,卡西尼號太空船首度抵達土星時,科學家預想土衛二是顆冷凍的冰球。但他們在第二年發現了衛星表面間歇泉噴出的水蒸氣和冰粒,揭露這顆衛星在冰殼和岩石核心之間有全球性的海洋存在。

藝術家描繪的土衛二內部剖面圖。美國航太總署的卡西尼號太空船發現土衛二上有全球性的海洋,而且可能有熱液活動。2.	ILLUSTRATION BY NASA/JPL-CALTECH

藝術家描繪的土衛二內部剖面圖。美國航太總署的卡西尼號太空船發現土衛二上有全球性的海洋,而且可能有熱液活動。2. ILLUSTRATION BY NASA/JPL-CALTECH

科學家認為活躍的熱液噴口可能會將土衛二的核心物質噴發到衛星的地下海洋,這些物質與水混合後,以水蒸氣和冰粒的形式釋放到太空之中。ILLUSTRATION BY NASA/JPL-CALTECH

科學家認為活躍的熱液噴口可能會將土衛二的核心物質噴發到衛星的地下海洋,這些物質與水混合後,以水蒸氣和冰粒的形式釋放到太空之中。ILLUSTRATION BY NASA/JPL-CALTECH

這項新研究的第一作者波斯特伯格和他的同事,之前曾發現土衛二的海洋可能也含有複雜的有機分子。

這使得土衛二成為「在太陽系中尋找外星生命最有希望的地方」,卡西尼號成像小組負責人行星科學家卡羅琳.波科(Carolyn Porco)如此表示,但她並未參與此一新研究。

尋找隱藏的磷

在此之前,我們未曾從土衛二或類似星球的冰中偵測到磷,這讓人懷疑這些地方是否真的適合生命存在。波斯特伯格說:「我們確實懷疑是否生命出現的瓶頸就在於磷。」

先前的土衛二和其他冰冷海洋星球模型,對這些隱匿海洋中是否有大量溶解的磷酸鹽有著分歧。「磷酸鹽不太會溶解在水中,因此基本上在海洋中更難找到。」波斯特伯格解釋。

早期的研究認為磷酸鹽可能被困在這些星球的岩石核心內。但最新的研究顯示,海洋中可能也含有豐富的磷酸鹽。

卡西尼號在2004年至2008年間,檢驗了來自土星E環的345顆冰粒,科學家在其中九顆冰粒中偵測到磷酸鹽。

「最令人驚訝的是,數據中的磷酸鹽特徵是如此清晰無疑,」波斯特伯格說:「我們花了好幾年時間分析大量數據,我的想法是──這次的偵測確實萬無一失。」

「令人驚訝的是,波斯特伯格他們非常出色地翻查冰粒,並從中偵測到磷的訊號,」在加州莫菲特機場(Moffett Field)美國航太總署(NASA)艾姆斯研究中心(Ames Research Center)任職的天文生物學家克里斯.麥凱(Chris McKay)說,他並未參與此一研究,「這是讓人印象非常深刻的偵查工作。」

最近還有一項頗具爭議的研究顯示,在金星雲層中檢測到一種磷和氫的化合物:磷化氫。但如果說到土衛二,「這裡沒有爭議──磷酸鹽和磷化氫不同。」法國國家科學研究中心(French National Center for Scientific Research)的行星科學家加百列.托比(Gabriel Tobie)如此表示,他並未參與此一新研究。

托比說,在土衛二上的磷酸鹽是磷和氧的化合物,「不需要任何特別的反應,但金星上的磷化氫就難解釋了。」

探索深處

科學家根據冰晶顆粒中的磷酸鹽含量,估計土衛二水域中的磷濃度是地球海洋的100至1000倍。他們在實驗室所做的實驗顯示這是有可能的,因為土衛二的海洋就像汽水一樣含有大量溶解的碳酸鹽。「這個汽水海洋能夠溶解土衛二岩石中的磷酸鹽。」波斯特伯格說。

波斯特伯格還表示,此外,在外側太陽系的冰冷海洋星球,像是冥王星和海王星最大的衛星海衛一(Triton),其水域應該也有大量的碳酸鹽,這表示這些水域或許也能溶解岩石中的磷酸鹽。美國航太總署計劃於2024年發射的木衛二快艇號(Europa Clipper)任務,可能會偵測木衛二噴發冰粒中是否有磷酸鹽存在。

雖然說在土衛二上偵測到磷酸鹽帶來的可能性令人興奮,但研究人員僅在少量冰粒中偵測到,這仍留下了一些未解之謎。托比指出,未來的研究需要確定這些磷酸鹽是否真正存在於土衛二海洋中的各處,還是僅存在於少數幾個地點。

麥凱表示:「下一步是要重返土衛二,並使用合適的工具尋找有機生物標記。」

 

 

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