地球，這顆蔚藍星球上擁有著廣袤的海洋，多種元素在它的懷抱匯聚，又隨著水的循環去往世界各處，從這個角度看來，這顆星球上的無數生靈都與它有關。那么，在太陽系中，海洋是不是地球獨有的珍寶呢？很長一段時間里，人類望著深邃孤寂的夜空，無法想象在那樣遙遠寒冷的地方會有大量液態水的存在，直到探測器傳回了地下海洋存在的消息。

木星的衛星——木衛二歐羅巴就因為可能擁有海洋而聞名于地球。不過，它在外太陽系“離群索居”，還用厚厚的冰層遮掩海洋的真容，行星科學家是怎么破解這兩個難題從而發現了木衛二的海洋呢？

兩個難題

難題一：距離遙遠

太陽系照片

（大小依比例，距離不依比例；圖源wikipedia）

太陽是個神奇的大火爐，它以自身的質量形成強大的引力“吸引”著其他行星以它為中心“排排坐“，木星就攜帶著它的衛星們坐落在我們稱為外太陽系的地方。我們的地球在內太陽系，內太陽系是相對其他行星而言更靠近太陽的區域，包括類地行星和小行星帶。類地行星指水星、金星、地球和火星，小行星帶則分布在火星軌道和木星軌道之間，包含了無數小行星，谷神星是其中最大的一顆。外太陽系距離太陽就比較遠了，這里安居了巨行星和它們的衛星們，如木星、土星、天王星和海王星，跟它們龐大的身軀比起來，地球倒顯得嬌小可人。

灰線表示地球與太陽的距離 其平均值為一個天文單位

（圖源wikipedia）

或許，想象外太陽系距離我們到底有多遙遠還有些困難，天文學家們引進了這樣一個概念——天文單位（AU）。這是一個天文學上的長度單位，1 AU≈1.496億千米，地球到太陽的平均距離大概就是1 AU，而位于外太陽系的木星到太陽的距離約為5.2 AU。如果說將北京作為太陽所在地，將濟南作為地球所在地，將二者之間的直線距離約300 km作為一個距離單位，那么根據比例計算，木星大概是住在拉薩了。

這還只是計算的直線距離，如果考慮到軌道等問題，那飛往外太陽系的路程長度更是一個難以想象的天文數字。盡管如此，不屈的人類依然將先驅者10號（Pioneer 10）和11號（Pioneer 11）、旅行者2號（Voyager 2）、伽利略號（Galileo）、新視野號（New Horizons）、朱諾號（Juno）等飛行器送抵了外太陽系，它們跨越了茫茫黑暗，為找尋地外海洋的前路帶來一縷光芒。

難題二：冰層太厚

山脈上的雪線

（圖源wikipedia）

在地球上，從山腳下登山，隨著海拔升高，溫度逐漸降低，直到在某一海拔高度處冰雪的累積和融化相平衡，形成永久性積雪，這一海拔高度就被稱為雪線。從地球飛往外太陽系的過程跟登山的過程類似，距離太陽越遠，獲得太陽的能量越少，直到在某一位置的溫度足夠冷使得揮發性分子（如水、氨或甲烷）凝結成冰并穩定存在，這一位置到太陽的距離就被稱為該分子的雪線，也被稱為凍結線、霜線或冰線。水分子的雪線在離太陽不到5 AU的位置，那里的低溫使得水分子凝結成冰，于是，在雪線以外的木星系統的表面便理應被冰層所覆蓋。不過，由于巨大的內部熱量等原因，木星本身沒有被冰層所覆蓋，但是它的一些衛星卻被厚厚的冰層罩上了神秘的面紗。

部分冰衛星尺寸對比圖

（藍字表示確認地下海洋存在；Nimmo, F. and R. T. Pappalardo, 2016）

這些被厚厚冰層覆蓋著的衛星被稱為冰衛星，它們大小不一，有的在冰層之下擁有海洋，有的甚至可能含有金屬地核。在這些冰衛星中，木衛二（Europa）、木衛三（Ganymede）、木衛四（Callisto）、土衛二（Enceladus）和土衛六（Titan）被確認在冰層下存在海洋。既然它們的表面皆被數十甚至上百千米的冰層所覆蓋，探測器飛掠衛星表面的時候肯定無法直接“看到”海洋，那人們又是如何知道地下海存在的呢？

木衛二地下海洋的探測經歷

木衛二歐羅巴（圖源wikipedia）

木衛二在1610年被伽利略發現，是公轉軌道距離木星第六近、直徑和質量第四大的木星衛星。它的水冰表面有大量裂縫和條紋，深色區域是礦物含量較高的區域，右下角的白色區域為撞擊坑。

木衛二內部結構

（圖源wikipedia）

方法一：近紅外線成像光譜儀

20世紀90年代，由美國國家航空航天局（NASA）于1989年發射的伽利略號探測器（Galileo）多次飛越木衛二，并對其使用近紅外線成像光譜儀進行成像。不同物質的分子結構不同，對特定波長的紅外線會產生特征性吸收，該儀器就是通過測量不同物質對不同波長近紅外線的吸收情況進行成像的。如果木衛二的表面只遍布著水冰，那么儀器只會檢測到水冰的特定吸收特征。但是，實際上除了檢測到水冰以外，還檢測到了硫酸鎂等鹽類物質的吸收譜峰。也就是說，木衛二上不是簡單的“冰凍三尺”，它冷漠的冰層下還存在非冰化合物，比如已被檢測到的鹽類。由于液態水可以溶解這些鹽類并可能通過木衛二上的裂縫將其源源不斷地帶到冰層表面，然后這些在表面保留下來的鹽類被儀器所探測到，所以這一探測結果是地下海洋存在的間接證據。

木星的磁層

（圖源wikipedia）

方法二：磁強計

同時，伽利略號還搭載了高靈敏度的磁強計，可以檢測行星磁場。木星擁有巨大的磁場，處在這樣磁場中的物體，如果內部不具有流動的電導體，那就不會再產生磁場，該物體周圍的磁場就可以被很好地預測；反之，如果內部具有良好的電導體，如流動的鹽水，那該物體就會產生感應磁場。該磁場的產生原理就是法拉第電磁感應定律，運動中的電導體切割磁力線會感應生成自己的電流和磁場，這種磁場就是感應磁場。當搭載磁強計的伽利略號飛越木衛二對其磁場進行探測時，結果跟預測的總有不同。這就是因為木衛二內部可能擁有上述所說的“良好的電導體”，于是，在木星的磁場中，擁有電導體的木衛二在運動的時候，就會切割磁力線，繼而產生了被檢測到的微弱但穩定的感應磁場。根據大量模擬，木衛二擁有的“電導體”，很可能是冰層下的鹽水海洋。

地外海洋示意圖

（NASA/JPL-Caltech/Southwest Research Institute）

方法三：近紅外線成像光譜儀

除此之外，2013年，美國國家航空航天局（NASA）的哈勃空間望遠鏡觀測到木衛二的水蒸氣噴發，并分析認為這種噴發由海洋中的熱水通過裂縫噴發到衛星表面并迅速凝結形成。隨后，2016年到達木星的朱諾號搭載著微波輻射儀對冰衛星下的物質成分進行了深入探測。微波輻射儀可以發出不同頻率的微波，不同物質對微波的吸收和反射的特性不同，產生的回波信號就不同，由此可以推斷物質成分。在冰層較薄的位置，微波可以穿過數千米厚的冰層進行探測，其首次直接證實了木衛二內部確實存在廣闊的海洋。

繼續向星辰大海挺進！

我國天問系列探測任務

（圖源https://weibo.com/2645044133/M6YrqfAVi）

對地外海洋的深入探索有助于加深人類對生命起源、內部結構、宜居性等問題的認識，人們對“星辰大?！钡奶剿饕惨恢痹诼飞稀W洲航天局（ESA）的木星探測器（JUICE）在2023年4月發射，將在2030年左右到達木星系統對木衛二、木衛三和木衛四進行探索；美國國家航空航天局（NASA）也將在2024年10月份發射歐羅巴快船（Europa Clipper），預計于2030年4月到達木衛二進行探索。同樣，我國的天問系列探測工程也在如火如荼地開展，預計在2030年前后進行木星系和行星際穿越探測任務“天問四號”。屆時，飛向寒冷的外太陽系的探測器，將為人類帶來更多生命起源的訊息。

美編：趙茹昕

校對：江淑敏 伍姝雨