只有地球有水?一文带你了解地外水物质

2021年04月16日
水,作为地球上最常见的物质之一,几乎是所有生命的不可或缺之物。人类在探索地外宜居地时,也一直都将液态水的存在作为重要评判标准。那么整个太阳系,甚至在更大的宇宙空间内,是不是只有地球才存在水这种物质呢?答案是否定的。其实,广义上的水分子在太阳系内十分常见。
1月球:封存黑暗区的“水库”
月球是距离我们最近的天体,人类已经对它无比熟悉了。长期以来,月球给我们的面貌都是荒凉空旷,空无一物的。但是,2020年,美国科学家通过安装在一架波音飞机上的红外望远镜,在月球的克拉维斯环形山附近探测到了水分子的存在。
通过SOFIA平流层红外望远镜探测月球,表明月球存在水(图源:NASA)
月球南极区域的低温暗区(蓝色区域)可能存在冰
随着更进一步的研究表明,月球表面水分子的分布可能超乎人们的想象。由于月球表面很大一部分区域处于永久的黑暗区,不受太阳辐射。科学家计算表明这些区域温度极低,可能存在由水凝结的冰。
月球表面存在大量水这一科学发现,无疑有着重要的意义。因为未来人类需要建立月球基地以便于探索外太空,如果能在月球表面提取水资源而不用从地球输运,必然将大大节省人类探索外太空的成本,为更多的航天员旅居月球提供基本保障。
2火星:冰层下隐蔽的液态湖
火星是距离地球最近,也是最接近地球环境的一颗行星。近半个世纪以来,人类已经对火星进行了仅次于月球的全面探测,迄今为止发射了几十个探测器或绕火星飞行,或直接登陆火星。
火星表面受水流侵蚀形成的河(图源:欧洲航天局)
1971年,美国水手9号火星探测器进入火星轨道,人类第一次看到火星表面的河床、峡谷等有着明显的水流侵蚀印记,因此也第一次间接证明火星至少以前存在大量液态水。
火星表面的裸漏岩石和地球溪流中的鹅卵石(图源:NASA)
21世纪初,美国和欧洲航天局通过对火星南北两极的高清拍摄,让人们更清晰地看到了火星上固态冰的存在。这让科学家更加确信火星上存在着以固态冰形式存在的大量的水。
2018年,意大利科学家报告探测到了火星南极冰层下约1.5千米处有一个直径19千米的液态湖。这是人类首次在火星表面发现液态水,这同时也意味着在火星的冰层下,可能有更多的液态水的存在。
3木星卫星:被液态咸海洋包裹
欧罗巴(Europa),俗称木卫二,是太阳系最大行星木星的一颗卫星,体积仅略小于月球。木卫二于1610年被伽利略发现,直到1979年旅行者号探测器掠过木星,人们才第一次看清了这颗卫星的样子。
欧罗巴(木卫二)表面
木卫二的结构示意图(图源:NASA)
木卫二表面密集的切纹和极度光滑的特征暗示其表面可能由冰层覆盖。随后在21世纪初,伽利略号探测器对木卫二进行更进一步的探测,间接表明其内部可能存在全球性的液态海洋。2012年,哈勃空间望远镜观测到了木卫二大气层中的白色漂浮团块,初步怀疑是水蒸气。直至2020年,科学家通过分析木卫二的红外线探测结果,证实其大气存在水蒸气,这也是木卫二存在水的直接证明。目前的研究基本认定,木卫二冰层1030千米下,是深度可能达100千米的液态咸海洋。这个海洋几乎围绕了整个木卫二,其液态水的体积加起来可能是地球海洋容量的数倍。
2014年,哈勃空间望远镜通过探测盖尼米得(Ganymede)——木卫三的极光活动,表明木卫三冰层下存在一个全球性的咸海洋,带动了卫星磁场的抖动,进而影响极光活动。作为太阳系最大的卫星,木卫三半径达2631千米,接近火星。与木卫二类似,它的表面也覆盖着冰层。不过不同的是,木卫三冰体物质更为复杂,可能含有氨、碳类、硫类等化合物。冰层下,也是一个深度可达100千米的液态咸海洋。
4彗星:水蒸气喷出的彗尾
彗星67P表面的冰物质(箭头所指的白色物质)(图源:《自然》)
太阳系内众多的彗星,是水冰、岩屑尘埃的结合物。当彗星掠过太阳时,封存的冰会蒸发成水蒸气,从岩屑孔缝中喷出,形成我们见到的彗尾。越来越多的证据表明,太阳系内,水这一物质是较为普遍的一种存在。
水,是生命万物的必需物质。地外的水、冰,甚至液态海洋,一方面为地球水的起源提供了重要参考价值,另一方面也为人类未来可能的星际探索提供了基本保障。同时,地外水物质的分布也为人类探索地外生命指明了方向。
作者:袁懋(中国科学院国家天文台)
来源:《知识就是力量》杂志