7　恩克拉多斯的噴泉

土衛二，也就是恩克拉多斯星球，是一顆迷人的星球。在旅行者號的眼中，它的外觀與歐羅巴實在太像了，以至於很多人會分不清歐羅巴和恩克拉多斯。它們都是表麵十分光滑的白色星球，兩者都有被稱為“虎皮斑紋”的條紋，隻是歐羅巴的條紋呈現出紅褐色，而恩克拉多斯的條紋呈現淡藍色。另外，它們的表麵還分布有很少的隕石坑。恩克拉多斯很小，直徑隻有500千米多一點，比月球小多了（月球直徑約是3476千米），它的表麵重力大約隻有地球的萬分之一。

2005年2月17日，已經拋出了惠更斯號著陸器的卡西尼號輕裝上陣，飛到距離恩克拉多斯1264千米的位置，這個距離創下了當時的曆史紀錄。在這之前，人類探測器與恩克拉多斯的最近距離是旅行者2號創下的8.7萬千米。當然，1264千米也不是最近的，這與卡西尼號3年多後與它的親密接觸相比，就好比拉手與接吻的區別。卡西尼號攜帶著當時全世界最先進的成像係統，對著恩克拉多斯拍攝了一張照片。正是這張照片，讓恩克拉多斯從太陽係家族中脫穎而出，逐步成為最耀眼的巨星。雖然這張照片還不是十分清晰，但足以引起科學家們的強烈興趣。於是，他們控製卡西尼號一次又一次地接近恩克拉多斯，試圖拍到更好的照片。

這張照片清晰地顯示出，恩克拉多斯的表麵有羽毛狀的噴流。這說明這顆星球上存在著火山活動，恩克拉多斯成為太陽係中第四顆被證實今天依然存在火山活動的星球。第一顆當然是我們的地球，第二顆是木衛一伊奧（Io），第三顆是海衛一特裏同（Triton），它們的火山都是被旅行者號證實的。更加令人驚訝的是，卡西尼號上攜帶的先進儀器分析出，恩克拉多斯表麵噴出的物質竟然是經過電離(1)的水蒸氣。換句話說，恩克拉多斯上有水！當然，因為恩克拉多斯幾乎沒有大氣，所以表麵溫度極低，水隻能以冰的形式存在。但存在水冰，這已經是一個極為重大的發現了。假如恩克拉多斯也像歐羅巴一樣，表麵覆蓋的是厚厚的冰層，那麽，整個恩克拉多斯的水量也是極其驚人的。所有這一切，都激起了科學家們對恩克拉多斯的強烈興趣。

從此，卡西尼號最重要的使命就是一次又一次地飛掠恩克拉多斯，盡可能多地捕獲各種能揭示這顆星球秘密的線索。2008年10月9日，卡西尼號創下了與恩克拉多斯親密接觸的新紀錄，距離近到不可思議的25千米(2)，這就相當於地球上高空偵察機的作業高度。

也就是在這一年，噴氣推進實驗室一位名叫坎迪斯·漢森（Candice Hansen）的科學家有了一項非常重要的發現。他仔細分析了卡西尼號2008年采集到的數據，發現有一些羽狀物的噴發速度高達2189千米／小時。如果說恩克拉多斯上隻有冰，這些羽狀物是冰被噴出後再升華成了水蒸氣，那麽不太可能達到這麽高的速度。漢森認為，最大的可能就是在恩克拉多斯的冰層下麵存在著液態水，火山直接把液態水噴發出來了，所以才能達到這麽高的速度。也就是說，恩克拉多斯的火山就像是一把高壓水槍，直接把恩克拉多斯內部的液態水噴到了幾萬米的高空，形成了羽狀物質。假如這個猜想是正確的，那麽這將會是一個震驚全世界的大發現——這意味著我們繼歐羅巴之後，又發現了一個地球以外的海洋。海洋總是讓我們激動萬分，原因很簡單——地球上的海洋孕育了生命。凡是與外星生命沾上邊的天文發現都是會引起轟動的大發現，我們實在太想知道除了地球之外，宇宙還有沒有生命。(3) (4)

隻是，漢森的發現還不能構成“恩克拉多斯存在海洋”的直接證據，隻能算是一個非常重要的線索。如何才能證實恩克拉多斯的冰下有海洋呢？有些讀者可能想到了我們在介紹歐羅巴冰下海洋的時候，用隕石坑的形狀作為證據之一。很遺憾，恩克拉多斯上沒有這樣的隕石坑，或許是我們的運氣還不夠好，或許是因為它的冰層實在太厚了，也或許隕石剛好沒有砸到存在海洋的位置。總之，卡西尼號沒有找到隕石坑的證據。這件事情一度讓NASA的科學家們一籌莫展。

令人沒有想到的是，這個難題竟然被一位意大利科學家意外地解決了。為什麽是意大利？大家還記得卡西尼號的三個投資方嗎？分別是美國國家航空航天局、歐洲航天局和意大利航天局。雖然意大利航天局出的錢還不到一個零頭，但那也是錢啊，他們隨之深度參與了卡西尼號的數據分析。羅馬大學（Sapienza University of Rome）的盧西亞諾·艾斯（Luciano Iess）教授是一位資深的航空航天工程師，協助意大利航天局分析數據。他找到了一個非常巧妙的辦法分析恩克拉多斯的內部構成。這個辦法繞了很多個彎，你要有點心理準備，我要開始一大段較為枯燥，但非常能體現科學破案魅力的講解了。

首先，卡西尼號在飛行過程中每時每刻都在給地球回傳無線電波，這些電波的發射頻率是固定的，這是一個重要的前提。但是，我們接收到的來自卡西尼號的無線電波的頻率卻不是固定的。知道為什麽嗎？有些資深讀者可能馬上就反應過來了，這還不簡單，因為多普勒效應(5)嘛。是的，因為卡西尼號相對於地球的速度不斷發生著變化，所以我們接收到的頻率就是不斷變化的。

通過頻率的變化情況，我們就能反推出卡西尼號的速度變化情況，精度可以高到令人咋舌。歐洲航天局卡西尼-惠更斯號的網頁顯示，每秒0.2—0.3毫米的速度變化都能被這個方法測量出來(6)。說實話，我看到這個數據時是驚得合不攏嘴的，這遠遠超出了我的想象，我被科學的魅力深深折服。這個速度變化值是探索恩克拉多斯內部結構的關鍵線索。請你開動腦筋想一想：如果你是科學家，你怎樣從卡西尼號的速度變化中了解恩克拉多斯的內部結構呢？

沒想出來一點都不用難過，否則人人都是科學家了。我告訴你，卡西尼號不斷地飛掠過恩克拉多斯，每年要飛掠很多很多次。科學家們注意到，在卡西尼號飛掠過恩克拉多斯表麵的時候，速度值會發生微小的變化。想想看這是什麽原因導致的？

任何星球的形狀都不可能是一個完美的球體，表麵都會有起伏，恩克拉多斯當然也不例外，它的表麵有凸起的山峰，也有凹陷的隕石坑。當卡西尼號在這些凹凸不平的表麵經過時，恩克拉多斯對卡西尼號的引力就會產生微小的變化。引力的變化就會反映到卡西尼號飛行速度的變化上，而其飛行速度的變化又反映到無線電波頻率的變化上。你看，科學家們通過電波頻率的變化就能計算出恩克拉多斯表麵地形的變化。

那怎麽才能繼續知道恩克拉多斯的內部結構呢？這才是關鍵問題。其實，對於恩克拉多斯來說，用頻率變化的方式來測地形是完全沒有必要的，因為這是脫褲子放屁——多此一舉嘛！因為卡西尼號的光學成像係統可以把恩克拉多斯的表麵地形以非常高的精度繪製出來，根本不需要兜一個圈子來間接推算。

但是，我不知道你有沒有靈光乍現，想明白盧西亞諾·艾斯教授的巧妙方法。我繼續給你解釋。現在，你假想自己是一名科學家，手頭有一張用照相機拍到的精確地形圖，然後你打算用頻率變化的數據再繪製出一張恩克拉多斯的地形圖，再然後，你假想自己把繪製出來的圖和實際拍到的圖疊加在一起，在忽略掉那些理論上的係統和測量誤差後，你預期它們會基本重合嗎？

答案是都有可能。

如果它們是基本重合的，就說明構成恩克拉多斯的物質密度處處均勻。如果它們是不重合的，就說明構成恩克拉多斯的物質密度不均勻，有變化。

如果沒想明白以上結論，我再給你講個故事。當年人類第一次在珠穆朗瑪峰上空測量地球的引力變化時驚訝地發現，在同樣的高度，引力居然和平原上空沒有什麽顯著的變化。這當然不是牛頓的萬有引力定律錯了，而是說明珠峰的根部以及延伸到地表數十千米以下的岩石密度比珠峰其他部分的密度要小得多，所以引力才沒有發生顯著變化。後來人們發現，地球上的大多數山脈都有這種密度補償現象，地表凸起得越高，地表之下的密度就越低。

通過分析2010年4月到2012年5月卡西尼號多次飛掠恩克拉多斯的速度變化數據，盧西亞諾·艾斯教授和他的合作者繪製出了一張地形圖，在和光學成像的地形圖疊加後，他們發現，兩張地形圖在恩克拉多斯的南極附近明顯不重合，說明南極地區的底層密度有差異。這裏還有一個重要的原因，就是恩克拉多斯的南極附近有很多大大小小的隕石坑，造成了地形的變化很大，地形變化越大，越能比較出差異。水的密度比冰的密度大，用來解釋這種密度變化非常合適。好了，作為科普來說，我講到這裏就差不多了，具體的分析方法比我說的還要複雜得多，但基本原理就是這樣。引力分析再加上之前的其他各種間接證據的佐證，使得科學家們可以得出有把握的結論。

2014年4月3日，NASA正式宣布：計算表明，至少在恩克拉多斯南極附近30千米厚的冰層之下，有著一個深達10千米的冰下海洋。這個海洋的麵積到底有多大，是否延伸至赤道甚至一直蔓延到北半球，目前還無法得知，存在各種可能性。但南極附近的冰下海洋是證據確鑿的，這個研究成果的論文同時發表在了著名的《科學》雜誌上。(7)

這個研究成果一公布，立即吸引了全世界天文愛好者的目光，恩克拉多斯也一躍成為太陽係中的頭號明星，科學家們對它的重視程度一下子就超過了歐羅巴。雖然同樣有冰下海洋，但恩克拉多斯的地表噴泉直通海洋，而歐羅巴的海洋當時還被認為冰封在十幾千米厚的冰層下。這時候距離發現歐羅巴的水蒸氣羽流還有兩年多的時間，人們還不知道歐羅巴的噴泉。

而且，最重要的一點是，此時的恩克拉多斯附近，人類的探測器卡西尼號還在正常工作，狀態良好，完全有能力延長任務，繼續對恩克拉多斯進行探測。接下來我們該怎麽做才能得知恩克拉多斯的冰下海洋中還有著哪些物質呢？我想這不難猜出來吧，我們可以控製卡西尼號從噴發出的羽流區域中穿過，然後收集羽流中的物質，分析化學成分。卡西尼號恰好具備這個能力。

到此時，卡西尼號早已超額完成了原計劃任務，完全可以光榮退役了。但隨著一係列讓人驚喜的發現接踵而至，NASA和歐洲航天局哪裏舍得讓卡西尼號退役啊，他們不斷地投入經費，延長卡西尼號的任務周期。這些決定事後被證明是無比英明的，因為卡西尼號還將不斷地令科學家們喜出望外。

美國東部時間2017年4月13日14時，NASA召開新聞發布會，宣布了又一個轟動全世界的大新聞。離現在這麽近，我估計很多讀者對那次新聞的轟動效應還記憶猶新吧。卡西尼項目的科學家琳達·斯皮爾克（Linda Spilker）在發布會上激動地說：“那今天有什麽新發現呢？我們從土衛二的羽流中發現了氫，它可以在土衛二的海底為可能存在的微生物提供能量。現在我要說，這一發現是卡西尼12年考察的結果，它確實代表了該任務的最新發現。因為我們現在知道土衛二存在著支持生命所需的幾乎所有成分，我們在地球上所知道的就是如此。”

最後一句是關鍵，琳達向全世界宣布：恩克拉多斯滿足人類已知的地球生命形式所需的幾乎所有條件！從這一刻開始，太陽係中尋找外星生命的頭號目標從歐羅巴轉移到了恩克拉多斯。聽完這個消息，我很識時務地把正在創作的一篇科幻小說的發生地從歐羅巴改為恩克拉多斯。為什麽說卡西尼號在固態羽流中檢測到了氫元素如此重要呢？

按照目前我們人類對地球生命的認知，生命的誕生需要三個必不可少的條件：1.液態水；2.碳、氫、氧、氮、硫、磷等幾種關鍵的化學元素；3.有可供攝入的能量來源。

此前卡西尼號的發現已經證實了前兩個條件，這次，關鍵的第三個條件也被補上了。卡西尼號上的中性質譜儀證實，羽狀噴泉中含有98%的水，約1%是氫氣，剩下的是二氧化碳、甲烷、氨等其他分子混合物。這說明恩克拉多斯內部有著某種機製可以源源不斷地產生氫氣，這個發現極為重要。恩克拉多斯海洋底部的熱水與岩石發生作用生成氫氣。假如恩克拉多斯的海洋中存在生命，那麽它們可以利用氫氣和溶解在水中的二氧化碳來獲得能量，從而產生甲烷，這種化學反應就是“甲烷生成過程”，這是地球海底熱液噴口附近的生命活動過程。這個研究成果的論文發布在2017年4月的《科學》雜誌上(8)，全世界幾乎所有大媒體都報道了這條大新聞。

5個月後，科學家們做出了終止卡西尼號任務的決定。卡西尼號一旦燃料耗盡，就必然失控，有可能最終墜毀在恩克拉多斯或者土星係統的其他衛星上。卡西尼號上極有可能攜帶來自地球的微生物，科學家們不允許卡西尼號汙染外星球，所以他們決定讓卡西尼號衝入土星濃密的大氣層，被高溫分解、燒毀。英雄的卡西尼號走完了它偉大的一生，最後的謝幕悲壯而華麗，讓無數人熱淚盈眶。

卡西尼號的飛行任務雖然結束了，但來自卡西尼號的研究成果卻沒有完結。13年來積累的探測數據是一個巨大的寶庫，等著科學家們繼續尋寶。2018年6月，《自然》雜誌發表了一篇論文，標題為《來自土衛二深處的大分子有機化合物》，再次佐證了此前的結論：恩克拉多斯擁有生命活動的所有必要條件。

這篇論文對來自卡西尼號的數據進行了更加詳盡的分析，證實在恩克拉多斯的羽流中含有濃縮和複雜的大分子有機物質，這些有機物的分子量大於200，這就表明，這種有機物隻可能是大分子(9)結構。這些大分子要麽是通過複雜的化學過程產生，要麽就是來自某些隕石內的原始物質。最大的可能性是這些大分子碎片來源於恩克拉多斯的海底熱液，正是這些熱液活動驅動了土衛二核心內複雜的化學過程。

論文還有一個非常重要的結論。研究表明，在恩克拉多斯的海底熱液噴口的裂隙、孔洞的表麵，很有可能存在一層薄的、富含有機物的膜，隨著這些海底氣泡的破裂，就會產生複雜有機物質的核心。

所有這些研究成果都使得“恩克拉多斯的海洋適宜生命生存”這一假說更具說服力。

這就是截至目前人類對恩克拉多斯的最新認知。NASA對恩克拉多斯的下一個探測計劃是SELFI（Submillimeter Enceladus Life Fundamentals Instrument），中文全稱是“亞毫米恩克拉多斯生命基礎儀”。這個計劃是發射一顆專門用於探測波長在亞毫米級的無線電波探測儀，它有能力把恩克拉多斯上空羽流中的所有物質詳細地檢測出來。因為每一種分子，比如水分子、一氧化碳分子等，都像是一個微小的無線電台，它們都在發射特定波長的無線電波。當然，要探測到這些無線電信號，需要極其靈敏的儀器。過去我們的技術達不到，但是現在我們擁有了這種最先進的探測儀，就能通過無線電波精確探知每一種分子的存在。關於SELFI計劃，目前最新的一條消息是2019年3月18日由NASA的官方推特發布的，表明這個計劃仍然在順利推進中，但是具體什麽時候能發射，我沒有找到任何信息。

讓我們一起期待人類揭開恩克拉多斯生命之謎的那一天吧！我在幻想，說不定有一位青年才俊看完這一章後，立誌要探索恩克拉多斯的生命，而在他的領導下，30年後，一台印著中國國家航天局標誌的探險車成功踏上了恩克拉多斯的茫茫冰原……這會讓我做個好夢的。

下一章，我將帶大家去探索那顆人類探測器最晚抵達的遙遠行星——冥王星。

(1)電離（Ionization），或稱電離作用，是指在（物理性的）能量作用下，原子、分子形成離子的過程。

(2)Space Topics: Cassini-Huygens: Cassini’s Tour of the Saturn System, https://web.archive.org.

(3)C. J. Hansen, L. W. Esposito, Water Vapour Jets Inside the Plume of Gas Leaving Enceladus, Nature volume 456, pp: 477-479(2008).

(4)Yasuhito Sekine, Takazo Shibuya, High-temperatureWater–rock Interactions and Hydrothermal Environments in the Chondrite-like Core of Enceladus, Nature Communications, volume 6, Article number: 8604 (2015).

(5)多普勒效應（Doppler effect）：波源和觀察者有相對運動時，觀察者接收到波的頻率與波源發出的頻率並不相同的現象。遠方疾駛過來的火車鳴笛聲變得尖細（頻率變高，波長變短），而離我們而去的火車鳴笛聲變得低沉（頻率變低，波長變長），就是多普勒效應的現象。

(6)Icy Moon Enceladus Has Underground Sea, https://esa.int, Mar.4, 2014.

(7)L. Iess, D. J. Stevenson, The Gravity Field and Interior Structure of Enceladus, Science, 04 Apr 2014:Vol. 344, Issue 6179, pp. 78-80.

(8)J. Hunter Waite, Christopher R. Glein, Cassini Finds Molecular Hydrogen in the Enceladus Plume:Evidence for Hydrothermal Processes[J], Science, 14 Apr 2017: Vol. 356, Issue 6334, pp. 155-159.

(9)大分子（macromolecule）：相對分子質量在5000以上，甚至超過百萬的生物學物質，如蛋白質、核酸、多糖等，它們與生命活動關係極為密切。