[비즈한국] 在我们太阳系中，有多少颗行星表面拥有液态湖泊和海洋？只有地球吗？并非如此，还有一个。那就是环绕土星运行的土星最大卫星——土卫六（Titan）。土卫六和土星一样，表面被厚厚的云层遮蔽，因此云层下究竟隐藏着什么样的世界，长期以来一直是个谜。
2007年，卡西尼号探测器在经过土星和土卫六时，通过雷达观测确认了云层下隐藏的真实世界。令人惊讶的是，土卫六表面有着像地球一样大大小小的液态湖泊和海洋。当然，由于距离太阳非常遥远，土卫六的气温远低于地球，表面平均气温低至零下179度。这是一种足以让水完全冻结的极度严寒，因此土卫六湖泊和海洋中充满的液体并不是水，而是乙烷和甲烷等碳氢化合物。有趣的是，由于这里实在太冷，坚硬的冰块在土卫六上扮演着类似于地球上岩石的角色。
当时，卡西尼号主要绘制了土卫六北极地区周围的地图。在土卫六表面已确认的湖泊中，最大的一个面积竟然达到了50万平方公里，比地球上最大的内陆海里海还要辽阔。这个巨大的湖泊以传说中的海怪“克拉肯”（Kraken）命名。
如果土卫六上存在如此巨大的湖泊和海洋，一个自然而然的问题便产生了：土卫六的湖泊和海洋里也会像地球一样有波浪吗？那些波浪会造成改变土卫六地形的风化侵蚀吗？在不久的将来，访问土卫六的人类能在那里的甲烷海洋中冲浪吗？
直到不久前，土卫六湖泊和海洋中是否存在波浪仍是激烈的争论焦点之一。在卡西尼号拍摄的上述照片中，可以看到土卫六表面有一点非常明亮的光斑。这是太阳光照射到土卫六液态湖面并发生反射的瞬间！当时反射阳光的湖泊是位于巨大克拉肯海西侧边缘的一个小湖，名为“京泊湖”（Jingpo Lacus），直接沿用了中国京泊湖的名字。基于这些观测，过去天文学家曾推测土卫六的湖面应该像镜子一样平滑，并猜测与地球的湖泊不同，那里不会有巨大的波浪起伏。
迄今为止，卡西尼号是唯一近距离、最详细观测土星和土卫六的探测任务。而且，卡西尼号于2017年9月15日冲入土星浓厚的云层中，结束了任务。卡西尼号观测到的土卫六图像是人类迄今获得的所有最详尽的土卫六观测数据。仅凭卡西尼号模糊的相机拍摄的图像来验证其表面湖泊是否真的存在波浪，意义并不大。
那么，该如何确认土卫六的湖泊中是否有波浪呢？在本次研究中，天文学家们关注了一个不同的地方：不是湖面本身，而是湖岸的形态。
地球海岸线和湖岸会因波浪的冲刷而经历风化侵蚀，地形随之改变。如果土卫六的湖泊中也在不断产生巨大的波浪，那么在波浪作用下，土卫六的湖岸形态也可能发生变化。
天文学家为了再现之前通过卡西尼探测确认的克拉肯海（Kraken Mare）和丽姬亚海（Ligeia Mare）边缘的形态，设定了三种模型。第一种是没有任何风化侵蚀的模型；第二种是水渗入土卫六冰层表面，在整个湖岸以恒定速度均匀侵蚀的模型；第三种是波浪在湖岸各处拍打，以物理方式导致湖岸不规则侵蚀的模型。他们比较了这三种模型中哪一个最能真实再现土卫六湖岸的形态。
特别是将后两种（侵蚀方式不同的模型）结果进行对比时，可以发现有趣的差异。如果假设原本形状凹凸不平的土卫六湖岸在各处发生均匀侵蚀，那么无论位置如何，几乎所有区域都会被均匀且平滑地磨平。只是陆地凸入湖中的岬角部分不太会大幅磨损，倾向于保持原有形状。
而在假设波浪拍打导致湖岸直接磨损的模型中，则出现了明显的差异。陆地深入湖中的宽阔边缘处，因波浪带来的液体流入量大，所以湖岸被更明显地磨平。相反，像细长河道般深处内陆的区域，波浪带来的液体流入量不大，因此这些区域的边缘不会被显著磨平，长期保持原样。结果就是，宽阔的湖岸边缘变得平滑，而中间四处延伸的细长河道边缘则保持了最初尖锐复杂的形态。因此，土卫六的湖泊看起来就像向四面八方伸出细长触角的“意大利面怪物”。
有趣的是，与在土卫六表面实际确认的多个湖泊外观进行比对后发现，假设有波浪的模型最能精准重现观测结果。通过对土卫六湖岸的分析，天文学家为土卫六湖泊中存在巨大波浪提供了间接证据。
通过这一发现可以推测，即使土卫六湖泊中的主要成分不是液态水，而是完全不同的甲烷，那里也像地球一样存在风，并因风的作用导致湖面起伏产生波浪。也就是说，对于“如果地球之外的其他天体表面存在液态海洋和湖泊，那里是否也会发生与地球海洋湖泊类似的现象”这一古老疑问，我们现在能够给出更明确的回答。
波浪的存在是推测土卫六湖泊生态的重要依据。波浪在物理上起到了一种作用，使湖泊和海洋表面的物质与深层的物质能够更好地混合。正如本次分析所利用的那样，它通过引起改变湖岸和海岸地形的侵蚀作用，为更多样的生态系统在不同环境下生存创造了地质学契机。此外，这一过程还有助于沉淀在土卫六大陆上的化学成分在波浪拍打下重新碎裂并溶解到湖海中。换句话说，波浪是让周边的生态“鸡尾酒”变得更加丰富多彩的混合过程。
如果我们坐在土卫六的湖边看风景，会看到厚重的甲烷云层下起伏的波浪。还能看到那些波浪撞击湖岸悬崖，使岩石和冰块一点点剥落的情景。原本以为只是环绕土星的众多小卫星之一的土卫六，其实是一个展现着不亚于地球、充满美丽且复杂地质历史的舞台。
卡西尼号的任务不仅是近距离飞掠，还进行了将着陆器分离并投向土卫六云层的探测。从卡西尼号分离的惠更斯号（Huygens）着陆器，成功降落在了人类历史上第一颗非行星、而是卫星的表面。冲破浓厚云层平安着陆的惠更斯号，揭开了隐藏的土卫六表面的真面目。
通过惠更斯号着陆直接观测到的土卫六表面令人惊叹。土卫六大气层和充满湖泊的甲烷，成为了人们对土卫六存在外星生命可能性寄予厚望的依据。过高浓度的甲烷对地球生命来说可能是剧毒，但另一方面，甲烷也是地球生命活动留下的主要副产品。也许，充斥在土卫六上的甲烷，正是那些可能躲藏在那里生存的外星生命的“呼出气体”痕迹。
天文学家期待土卫六也像木星和土星周围的冰卫星——木卫二或土卫二一样，在坚冰表面下隐藏着由液态水构成的更巨大的海洋。根据对土卫六密度的分析结果，其内部很有可能存在占总体积约40-60%的巨大地下海洋。如果这一推测属实，那么这颗小小的土卫六所蕴含的液态海洋总量，可能比地球表面海洋的总量还要多6倍。从天体生物学角度来看，土卫六是一个必须访问、令人向往的地方。
随着环绕土星的唯一探测器卡西尼号任务的终结，目前土星周围空无一物。土星探测史暂时画上了休止符。天文学家们正在筹备深入探索土星和土卫六的新任务。卡西尼号携带的惠更斯号着陆器仅仅是在土卫六云层中展开降落伞缓慢落下后就结束了。因为它没有配备车轮等装置，与其说是着陆，实际上更接近于“坠落”。它被留在坠落位置，只能勉强观察周边的一小片区域。
但是，计划于2030年左右发射的下一代土卫六任务——“蜻蜓号”（Dragonfly）任务则有些特别。这是一个通过发射带有螺旋桨的无人机，穿梭于土卫六各处直接勘查湖泊和天空的任务。通过此前的火星“毅力号”探测任务，天文学家已经成功在地球之外的其他天体上实现了无人机飞行！以此为契机，现在人们梦想着派遣像蜻蜓一样在土卫六天空中飞行的无人机。
仔细想来，在土卫六上飞行甚至比在火星上飞行更容易。火星大气稀薄，大气压只有地球的百分之一，因此即使旋转螺旋桨也很难获得足够的升力。相比之下，土卫六被浓厚的大气层覆盖，因此比在火星上更容易获得升力来飞行。不久的将来，如果蜻蜓号任务成功，我们将能够真正亲眼目睹土卫六湖泊中起伏的波浪。
参考
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adn4192
作者Ji Woong-bae简介：热爱猫咪和宇宙。儿时在看过《银河铁道999》后，立下了向世人宣传宇宙之美的梦想。目前在延世大学银河演化研究中心及近宇宙论实验室研究通过星系相互作用产生的演化，并从事讲座和写作等多种科学传播活动。著有《与宇宙谈恋爱》、《整天想着宇宙》、《星，光之科学》等书籍。