在2004年至2017年間，卡西尼號土星探測器環(huán)繞土星運(yùn)行，并多次對其衛(wèi)星實(shí)施近距離飛掠觀測。其中124次飛掠土星最大的衛(wèi)星——土衛(wèi)六。

這張圖像由卡西尼號于2015年5月22日拍攝，前景中的土衛(wèi)六靜靜懸浮，身后是若隱若現(xiàn)的土星。（圖/NASA）

2008年，科學(xué)家在分析了卡西尼號任務(wù)的數(shù)據(jù)后，推測出了一個(gè)關(guān)節(jié)的結(jié)果：在土衛(wèi)六那富含碳?xì)浠衔锏谋砻嬷?，可能存在一個(gè)由液態(tài)水構(gòu)成的巨大海洋。然而，當(dāng)研究人員在物理模型中假設(shè)土衛(wèi)六內(nèi)部存在這樣一片海洋時(shí)，模型計(jì)算得到的結(jié)果卻無法與觀測數(shù)據(jù)所反映的物理性質(zhì)相吻合。

在一項(xiàng)于近期發(fā)表在《自然》雜志上的研究中，NASA的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）的研究人員對卡西尼號任務(wù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了重新分析，得出的新結(jié)果顯示：土衛(wèi)六的內(nèi)部可能并非整體液態(tài)海洋，而是一個(gè)由多層“黏冰”物質(zhì)構(gòu)成，其間夾雜著孤立存在的液態(tài)水囊的結(jié)構(gòu)。

土衛(wèi)六下真的有海洋嗎？

這一新的結(jié)論是通過測量卡西尼號在飛掠土衛(wèi)六期間所發(fā)回的射電信號頻率而得出的。

由于一顆衛(wèi)星內(nèi)部的質(zhì)量分布可能并不均勻，因此當(dāng)航天器飛掠其附近時(shí)，衛(wèi)星的引力場會(huì)發(fā)生變化，從而使航天器的速度出現(xiàn)極其微小的加速或減速。而這些速度變化又會(huì)改變航天器與地面之間的射電波頻率——這一效應(yīng)被稱為多普勒頻移。

這六幅土衛(wèi)六的紅外圖像是通過整合卡西尼號任務(wù)期間收集的數(shù)據(jù)生成的。它們揭示了在朦朧大氣之下，土衛(wèi)六表面的真實(shí)面貌，并突出顯示了這顆衛(wèi)星表面多樣而變化的地貌特征。（圖/NASA）

通過分析多普勒頻移，科學(xué)家可以推斷出衛(wèi)星的引力場分布及其形狀；而這種形狀會(huì)隨著衛(wèi)星在母行星引力作用下繞行而隨時(shí)間發(fā)生周期性的變化。形變的程度取決于衛(wèi)星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

就土衛(wèi)六而言，當(dāng)它在略呈橢圓的軌道上靠近土星時(shí)，土星強(qiáng)大的引力就會(huì)對其產(chǎn)生擠壓；而當(dāng)它運(yùn)行至最遠(yuǎn)點(diǎn)時(shí)，又會(huì)被拉伸。這種反復(fù)的形變會(huì)產(chǎn)生能量，并以內(nèi)部加熱的形式被耗散掉。

此前，當(dāng)科學(xué)家分析“卡西尼號”在十次近距離飛掠土衛(wèi)六時(shí)采集的射電數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，土衛(wèi)六的形變幅度異常之大，因此他們當(dāng)時(shí)推斷其內(nèi)部必然是液態(tài)的——因?yàn)槿绻峭耆虘B(tài)，其形變程度會(huì)小得多。

新的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

在這項(xiàng)研究中，研究人員引入了一個(gè)新的、更加微妙的分析維度：時(shí)間。

土衛(wèi)六的形狀變化大約滯后于土星引力作用峰值15個(gè)小時(shí)才達(dá)到最大程度。這就好比用勺子攪拌蜂蜜：越是濃稠、黏滯的物質(zhì)，推動(dòng)它所需的能量就越是大于攪動(dòng)液態(tài)的水。通過測量這一時(shí)間延遲，研究人員估算了改變土衛(wèi)六形狀所需的能量，從而進(jìn)一步推斷出其內(nèi)部物質(zhì)的黏度特性。

研究人員發(fā)現(xiàn)，土衛(wèi)六深部存在強(qiáng)烈的能量耗散，這種能量耗散的程度遠(yuǎn)高于在假設(shè)其內(nèi)部存在全球性液態(tài)海洋時(shí)應(yīng)當(dāng)出現(xiàn)的水平。這一發(fā)現(xiàn)出乎所有人的意料之外，它意味著，土衛(wèi)六的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與此前的推斷完全不同。

因此，研究人員對土衛(wèi)六的內(nèi)部結(jié)構(gòu)提出了一種新的解釋：土衛(wèi)六內(nèi)部存在多層冰與水混合而成的黏冰結(jié)構(gòu)，其上方覆蓋著一層厚厚的固態(tài)冰殼。

這種結(jié)構(gòu)同樣能夠讓衛(wèi)星發(fā)生明顯的形變，但在這種情況下，土星施加的潮汐拉力與土衛(wèi)六實(shí)際表現(xiàn)出形變跡象之間，會(huì)存在數(shù)小時(shí)的時(shí)間滯后——這比內(nèi)部完全液態(tài)時(shí)的響應(yīng)要慢得多。而且，相較于純液態(tài)內(nèi)部，黏冰的內(nèi)部在引力場中會(huì)表現(xiàn)出更強(qiáng)的能量耗散特征，因?yàn)檫@些黏冰層之間的相互摩擦?xí)a(chǎn)生熱量。

這張圖示意了在不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型下，土衛(wèi)六對土星引力潮汐的響應(yīng)。僅在假設(shè)內(nèi)部為黏冰結(jié)構(gòu)時(shí)，模型才能再現(xiàn)觀測到的隆起幅度及滯后。（圖/Baptiste Journaux and Flavio Petricca）

基于這一新的內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型，研究人員認(rèn)為，土衛(wèi)六內(nèi)部真正的液態(tài)水，只以局部“融水囊”的形式存在。這些水囊在潮汐能耗散產(chǎn)生的熱量加熱下，會(huì)緩慢向上遷移，朝向表面的凍結(jié)冰層。在上升過程中，它們可能形成獨(dú)特的環(huán)境，這些環(huán)境中所富含的有機(jī)分子既來自下方的巖質(zhì)核心，也來自隕石撞擊帶到衛(wèi)星表面的物質(zhì)。

土衛(wèi)六內(nèi)部結(jié)構(gòu)的假想模型。紅色區(qū)域表示融水形成的“水囊”，它們在冰層中開辟出通道，向土衛(wèi)六的核心延伸。（圖/Baptiste Journaux）

黏冰結(jié)構(gòu)的低黏度，仍然允許土衛(wèi)六在土星潮汐作用下發(fā)生隆起與壓縮，并將內(nèi)部熱量帶走——否則，這些熱量會(huì)融化冰層，形成真正的海洋。

生命的可能性

盡管土衛(wèi)六存在地下海洋的設(shè)想曾極大地激發(fā)了人們對其生命潛力的興趣，但研究人員認(rèn)為，這項(xiàng)新的發(fā)現(xiàn)反而可能提高發(fā)現(xiàn)生命的可能性。

因?yàn)樗麄兊姆治鲲@示，土衛(wèi)六內(nèi)部的這些淡水水囊溫度可能高達(dá)20攝氏度。這些水囊會(huì)將營養(yǎng)物質(zhì)從巖質(zhì)核心，經(jīng)由高壓冰層中的黏冰區(qū)域，循環(huán)輸送至表面的固態(tài)冰殼。與開闊的海洋相比，任何可供利用的營養(yǎng)物質(zhì)都會(huì)在較小體積的水中更加集中，這反而可能為簡單生命形式的生長提供更有利的條件。

或許，未來即將前往土星的任務(wù)將給我們帶來更多關(guān)于土衛(wèi)六的內(nèi)部結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。例如，最早于2028年發(fā)射的蜻蜓任務(wù)，將前往這顆被厚霧籠罩的衛(wèi)星，對其表面展開直接探索。

這項(xiàng)研究凸顯了行星科學(xué)檔案數(shù)據(jù)的巨大價(jià)值。這些令人驚嘆的航天器所收集的數(shù)據(jù)并不會(huì)隨著任務(wù)結(jié)束而失去意義——隨著分析技術(shù)不斷進(jìn)步，人們可以在數(shù)年甚至數(shù)十年后，從中獲得新的發(fā)現(xiàn)。

#參考來源：

https://www.jpl.nasa.gov/news/nasa-study-suggests-saturns-moon-titan-may-not-have-global-ocean/

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09818-x

https://www.washington.edu/news/2025/12/17/saturns-biggest-moon-might-not-have-an-ocean/

#圖片來源：

封面圖&首圖：NASA/JPL-Caltech