Vulcan
星艦學院編輯小組

　　　　　最ＩＮ話題 ■ 土衛二的神秘噴泉
　　　　　科學小視窗 ■ 真愛永恆　大腦掃描可證
　

　　超過25年前，航海家2號飛越土星系時，距離土衛二（Enceladus）不到九萬公里，在那幾個小時內，太空船的攝影機傳回了數張困擾科學家多年的影像。在土星的衛星中，土衛二可算是相當奇特的一員；結滿冰的地表又白又明亮，就像剛下過雪一樣，而且它不像其他沒有空氣的衛星表面滿佈隕石坑，而是廣闊平坦、完全沒有隕石坑的平原，顯示以往內部曾經發生地質活動。土衛二直徑僅略超過500公里，體積太小，無法自己產生很多的熱，因此這個天體顯然曾經發生某些不尋常的作用，才能將表面的隕石撞擊痕跡抹除得如此徹底。

　　航海家2號和土衛二的短暫交會只是驚鴻一瞥，事後看來，它拍下的土衛二影像非常不理想。首先是幾張中解析度的北半球影像，接著是幾張低解析度的南半球影像，而且沒有拍到南極，我們很可能遺漏了什麼而不自知。

　　航海家那次造訪所引發的關注，使得詳細觀察土衛二成為卡西尼號最土星任務的主要目標。卡西尼號於1997年發射，攜帶著最先進的儀器在太空中穿梭了漫長的七年時光後，進入外太陽系，並於2004年夏季終於到達目的地，當年12月，它在土星最大的衛星土衛六拋下探測器，接著前往土星系統的其他地方，特別是土衛二。近幾個月來，卡西尼號太空船對土衛二進行了前所未有的仔細觀察。

　　卡西尼號可說是在這個地表滿佈裂縫的小世界中，發掘了行星探測人員的夢想。這個深藏在太陽系最壯觀行星系統中的小衛星，現在具有極大的重要性，它不僅擁有的熱足以促成改變地表樣貌的地質活動，還具備有機化合物，甚至可能擁有地下水道或液態水形成的海洋。能量、有機物和水正是我們所知生命形成的三項要素，在探測這個遙遠陌生地域的過程中，我們實際接觸到了可能適合生物生存的環境，這真是天大的好消息。

南極的那道光

　　重大發現即將現身的第一個提示，早在卡西尼號第一次接近土衛二時就已顯露端倪，但當時並未獲得一致認同。2005年1月，攝影機拍下了首批太陽在土衛二背後的照片，行星天文學家將這種觀測方式稱為「高太陽相位」，就如我們開車正對太陽行駛時，附著在擋風玻璃上的灰塵會特別顯眼一樣，我們面向太陽觀察時，太陽系各處極小的微粒也會格外明顯。在整個航海家任務中，這種觀測方式讓我們得以清楚觀察外行星和衛星不易看清的環與大氣，在研究土衛二時更成為重要關鍵。

　　在1月的影像中，有一道亮光從土衛二南極邊緣發出，我們航海家任務的資深人員立刻就聯想到木星的火山衛星——木衛一上的火山煙塵，以及海王星的衛星海衛一大氣中的雲霧。影像小組中有些成員認為這道亮光是有物質從土衛二南極噴發出來的確實證據，有些成員則提醒我們，這種狀況可能是正對太陽拍攝時經常造成困擾的鏡頭虛像。

　　我當時也不確定。但可惜我們當時正忙於規劃未來的觀測活動及撰寫論文，無暇分心去進行有可能解決這個問題的詳細分析，由於沒有時間驗證，我決定不公開透露任何訊息。我很清楚如果宣稱在大家認為地質活動已經停止的衛星上發現煙塵，最後卻必須承認只是畫面上的幻影，會是多麼難堪的一件事。還好，我們等待的時間並沒有太長。

　　2005年2月和3月，卡西尼號兩次近距離飛過土衛二赤道上空，傳回引人注目的結果。航海家太空船看到的平原其實一點也不平坦，而是間隔不到一公里的密集碎裂區域，整個區域縱橫交錯著各個年代的裂縫和溝槽，有些是筆直的，有些則是彎曲的；其他有些地方的地表則分佈著深達半公里的裂口。把範圍放大一點來看，大致平行的窄裂縫將表面劃分成一塊一塊。土衛二顯然曾經歷多次地殼構造活動，而且有殘留的痕跡可以證明。

　　2月這次的探測飛行拍下了另一張高太陽相位的影像，圖中有一道比先前更大、更明顯的亮光。不僅如此，磁力計也顯示土星旋轉帶著磁力線通過土衛二時，磁力線有扭曲現象，這表示磁力線接觸到重離子，這些離子顯然來自土衛二的南極。證據越來越多，我們看到的虛像開始變得越來越像真實的東西。

　　卡西尼號科學家將這個狀況送交計畫主持人，希望能看清楚一點，具體來說，就是將2005年7月的探測飛行高度由1000公里降低到168公里。計畫主持人同意了，因此2005年7月14日，卡西尼號飛到土衛二下方，位於南半球中緯度上空，讓我們第一次清楚看見土衛二的南極，這裡的地貌和太陽系的其他地方一樣令人訝異，地質也相當特別。

　　土衛二南極附近區域大致成圓形，完全沒有隕石坑，表面有幾條很深的平行裂縫，我們稱之為「虎斑條紋」。這些裂縫的間距幾乎相同，長度為130公里，末端成鉤形彎曲，條紋之間比有細小溝槽的區域更明亮。整個區域在南緯55度左右有一道曲折連續的極地邊界，由呈同心圓分佈的山峰與河谷構成，這條邊界大致每45度經度就會被狹長的裂縫切開，這些裂縫則延伸到沒有隕石坑的赤道附近。

　　山峰和山谷的結構及位置讓影像小組助理、任職於美國康乃爾大學的赫爾芬斯坦（Paul Helfenstein）想到，這個邊界是在土衛二地表受到水平壓縮時沿南北走向產生的皺摺，類似喜馬拉雅山那樣的聚合型板塊構造邊界。整個被包圍的區域相當於土衛二上的大西洋中洋脊，新的表面在這個擴散中心形成，再向外擴展出去。
顯然從這個小衛星表面的狀況可以看出，這個衛星過去和現在發生的事件將更令人驚訝。在飛過南極地區外圍上空時，卡西尼號的沙塵分析器捕捉到細小的微粒，顯然來自虎斑條紋地區；另外有兩具儀器偵測到水氣，其中之一分析出二氧化碳、氮和甲烷的特徵。卡西尼號還曾經穿過稀薄的雲層。

　　不僅如此，熱紅外線成像儀也感應到裂縫中的溫度較高，可能高達絕對溫度180K，遠比單靠陽光加熱的70K來得高。這些地點釋放的能量高達每平方公尺60瓦，比美國黃石公園的地熱區中每平方公尺2.5瓦的發熱量高出好幾十倍。而土衛二表面超出紅外線儀器解像力的小塊區域，溫度可能更高。

　　至今我們仍難以相信居然幸運發現如此有趣的地方。為了快速做出回應，成像小組計畫在四個月內專程拍攝一系列影像（2005年11月底），以高解析度和高太陽相位觀察土衛二的南極，同時也拍攝了相當多土星其他衛星的影像。在本小組影像分析專家的協助下，我向懷疑亮光並不存在的小組成員證明，在土衛二上看到的亮光確實不是虛像；這片微粒雲霧的面積極為廣闊，在土衛二南極上空綿延至少數百公里，這保證不是幻影。

　　11月27日，一連串令人驚奇的新月形土衛二黑白影像終於傳回，影像中有10多條由細小冰粒形成的噴泉噴向太空，在南極附近形成模糊但相當龐大的火焰狀噴流。後來由我和影像小組助理、太空科學研究所的史皮塔利（Joseph Spitale）進行的分析顯示，噴流的來源和虎斑條紋中溫度最高的地點一致，這是高溫與活動出口有關的第一項決定性證據。微粒大多落回表面，但有些微粒的速度足以進入軌道，環繞土星，實際上也就是稱為「E環」的最外圈土星環的形成原因。

　　不論就任何標準而言，這些影像都是極大的發現，它們無疑證明了這個冰冷的小衛星確實正有著內部活動，我深深體會到初次見到美國黃石公園間歇泉的先民當時的感受。

熱從何而來？

　　卡西尼號第一篇關於土衛二的科學論文發表於2006年3月，隨即掀起一股風潮，大家都開始討論土衛二，因此卡西尼號又進行數次土衛二近距離探測飛行，深入雲霧更濃密的區域，最靠近時距離表面僅25公里。2008年3月，一次高度極低的探測飛行中，卡西尼號加強了水氣、氮、二氧化碳和甲烷的測定方式，不僅如此，它還發現了少量其他有機物，例如乙炔與氰化氫，以及乙烷、丙烷、苯、甲醛等。

　　在8月另一次相當接近的探測飛行中，我們把攝影機對準了噴流的表面來源。太空船飛過時速度相當快，因此必須採用類似飛靶射擊的特殊相機轉向技術，以避免動態模糊現象。這次拍攝成果非常優異，拍到了深達300公尺的虎斑條紋，它的兩側和遠處散佈著房子般大小的冰塊。裂縫兩側的區域似乎格外平坦，可能是覆蓋著剛下的雪的緣故。

　　出乎意料的是，每個噴氣口的周邊區域跟裂縫附近其他地方並沒有明顯的區別。我們的初步結論是噴氣口的活動時間不會很長，因為它們還來不及明顯改變周圍的地面時，就會被凝結的蒸汽形成的冰堵住。在此同時，壓力在裂縫周圍其他地方又衝開新的噴氣口，不久之後新噴氣口又堵住，如此週而復始地循環。長時間延時影像或許可以顯示出噴流在裂縫周圍長形區域起起落落的景象。

　　這些影像除了讓我們得以見到令人屏息的地質現象，也提供了土衛二大小及形狀的精確資料。這些資料搭配由卡西尼號近距離飛掠時軌道出現重力攝動所求得的土衛二質量，顯示土衛二是土星主要衛星中岩石比例最高的，平均密度為每立方公分1.6克，顯示岩石佔該衛星質量的60%，同時岩石很有可能集中在由岩石構成的核心，外圍包裹水與冰構成的地幔，厚度為數十公里。

　　在地球上，岩石含有可產生熱的放射性物質，土衛二的狀況無疑也是如此，但這些岩石並不足以產生我們觀察到的熱。可造成這種熱度的唯一來源是潮汐加熱，正如太陽與月球作用於地球的重力會使地球產生少許形變、對海洋造成潮汐一樣，土星的重力也會使土衛二產生形變。土衛二的環繞軌道不是圓形，它和土星間的距離隨時都在改變，距離越近，形變程度越大。日復一日的變化會在土衛二地表形成皺摺並使內部溫度升高，重力在形成表面特徵方面可能也扮演重要角色。虎斑條紋與土星方向呈45度夾角，引潮力是這種走向最顯而易見的解釋。

　　影響加熱量的因素不只是軌道的離心率（也就是軌道與正圓間的差異程度），還有衛星內部的均勻程度。質地堅硬的星體可以抵擋變形，彈性好的星體則容易變形，但能量不會化成熱散失出去。由黏性物質組成的柔軟衛星會破裂並升溫，部份堅硬但會產生裂縫的衛星也是如此，因為冰片會互相摩擦生熱。加熱點不一定會均勻分佈在整個衛星，可能會集中在冰構成的外層，也可能在外層中的少數區域，例如裂縫等。

　　潮汐加熱現象通常會自行停止。衛星中的物質需要時間變形，因此變形方向一定不會與造成變形的力相同。其結果是形成重力矩，把衛星軌道漸漸變為圓形，然後潮汐應力停止變化，衛星維持固定形狀，加熱也隨之停止。不過由於土衛二與較大的衛星土衛四的軌道共振，土衛二每繞土星兩圈，土衛四剛好繞一圈，這種同步現象使土衛四週期性地以重力推送土衛二，將土衛二的軌道一直維持在橢圓形。

　　但是這些特定條件還是不夠。美國麻省理工學院的梅爾（Jennifer Meyer）和威斯登（Jack Wisdom）研究了土衛二的軌道配置，發現該天體接收到的潮汐能量僅為土衛二南極噴流能量的1/5，這個結果與潮汐能量被分散的狀況完全無關。在目前的軌道上，土衛二的能量不足以解釋其熱輸出。

柔軟的衛星

　　只要假設土衛二目前的潮汐加熱應該和熱輸出完全相等，矛盾就難以避免。那麼，土衛二目前所釋放的熱會不會是來自於較早期的加熱？1986年，當時任職於美國加州理工學院的歐亞坎葛斯（Greg Ojakangas）和史蒂文生（David Stevenson）率先探討一種可能狀況，就是衛星的繞行軌道與其內部的堅硬程度可能互相對立，使軌道離心率與熱輸出產生週期變化。

　　假設一開始土衛二處於冰冷且大致堅硬的狀態，軌道接近圓形，潮汐加熱速率較低；土衛四使軌道的離心率增加，在外圍冰層造成更大的摺曲和黏滯加熱，離心率和加熱持續上升，超過某一程度後，加熱率超過衛星的散熱能力，衛星內部溫度開始提高，內部物質變軟，剛性下降，反過來提高潮汐加熱速率。在另一個可能的振盪理論中，衛星剛性下降不是因為變軟，而是因為出現裂縫，潮汐應力破壞冰層，造成剪向運動。破裂的冰層在裂縫處互相摩擦生熱，耗散了潮汐能量。

　　不論是上述何種狀況，額外散失都會使衛星軌道趨近圓形，最後發展回一開始的情況：潮汐加熱開始降低，最後低於衛星表面的散熱率。衛星開始冷卻，冰層再度變硬，在第二種狀況中則是裂縫消失，表面回復原狀。接下來，這個可能需時數千萬年的循環重新開始。這個理論描繪出衛星熱輸入與熱輸出不穩定時可能出現的狀況，在這種振盪模式中，能量輸入和輸出必須完成整個循環才能平衡。如果單看某個特定時刻，土衛二的熱輸出可能高於或低於平均值，也可能高於或低於當時的加熱速率。

　　歐亞坎葛斯和史蒂文生證明冰黏性相依於溫度的循環理論適用於木衛一，而且木衛一和土衛二一樣，熱輸入與輸出不相等。可惜的是，這個理論並不適用於土衛二——梅爾和威斯登已經確定土衛二的質量不足。裂縫循環理論或許有可能，但尚未經過完整探討。

地下有些什麼？

　　法國南特大學的托比（Gabriel Tobie）等人探討了另一個可能的答案：土衛二南極附近的薄弱區域可能會使潮汐能量集中在此，並長期承受此能量。他們模擬土衛二對引潮力的反應，認為土衛二南極地下可能是低黏性區域，也就是比其他區域更加柔軟。這個理論可以印證我們觀察到的熱輸出現象，但有兩個先決條件可能大幅改變我們對土衛二的看法。

　　首先，這個區域的冰可能是溫暖的，也就是接近融點，第二，外層冰殼和岩石核心之間一定有液體層，這個液體層必須涵蓋幾乎整個南半球。如果沒有這樣的液體層，摺曲和黏滯加熱量會不夠，也不會發生在南極，而應該在赤道附近。

　　如果知道土衛二的南極圈其實是個地表下陷半公里深的盆地，地下海洋理論會變得更值得注意。根據美國惠頓學院的柯林斯（Geoffrey Collins）和伍茲赫爾海洋研究所的古德曼（Jason Goodman）的研究結果，這個盆地可能是地下海洋存在的徵兆。液態水的密度高於冰，因此這個區域的水量總體積較少。就本質上而言，整個南極區域就是個超大型排水口。

　　事實上，海洋可能間接佔去土衛二大部份地質形態。美國華盛頓卡內基學院的松山勇和加州大學聖克魯茲分校的尼墨（Francis Nimmo）發現土衛二主要地質特徵的位置和方向，尤其是南北走向的裂縫和極地周圍的山峰，顯示土衛二的冰殼與自轉軸之間有相對滑動現象。土衛二就像巨大的陀螺儀，外殼可以自由轉動。

　　這個理論可以解釋地質活動區域為何正好位於南極，因為溫暖且密度低於平均值的區域，會自然漂浮到旋轉軸附近。不僅如此，在南極冰殼最上方脆冰層底下的溫暖區域會因對流運動而向上隆起，這可能是南極地區成為擴散中心的原因。冰層要以這種方式移動，必須有液態層隔離冰塊與下方的內部核心才行。

　　土衛二的活動或許來自這些效應的綜合結果。如果土衛二經歷裂縫加熱循環，同時衛星表面冰殼的潮汐變形速率夠快，裂縫或許會延伸到底下的柔軟溫暖層，甚至深入海洋。這些裂縫內的摩擦加熱將可促進南極地下的整體黏滯加熱；冰或許會沿著深入的裂縫開始融化，融化的水又會轉而提升加熱速率。透過這種方式，地下海洋或許可以自給自足，由上層冰殼的液態水供應下層的海洋。只要海洋不會在循環中的冷卻階段完全結冰，而且土衛二維持與土衛四的軌道同步，整個過程就會維持下去。

　　最後，我們觀察到的噴發物質應該是液態水。美國加州大學柏克萊分校的曼卡（Michael Manga）發現，地下海洋的部份冰凍現象會提高該處壓力，迫使液態水上升。水上升釋放壓力時，溶在水中的二氧化碳等氣體將會析出並形成氣泡，幫助液體上升，就像搖晃香檳酒時的現象。如果液體真的到達表面，就可解釋熱如何從土衛二內部深處被攜帶出來，因為流動的水攜帶熱的效率非常高。除此之外，這也代表了噴流其實是間歇泉，源頭來自地下液態水庫。

孕育生命的溫床

　　目前我們還在檢視及修改解釋土衛二現狀的理論，不過總而言之，現在大致可以確定其地下有液態水存在。如果真是如此，這個小小的衛星就有可能蘊含生命或處在生命初步萌芽的階段。孕育生命所需的條件：液態水、必要的化學成份以及充足的能量等，似乎都已備齊。地球上的地底火山最類似土衛二的環境，有地下水在灼熱的岩石周圍流動，完全沒有陽光以及光合作用。這裡的生物吸收氫或二氧化碳，產生甲烷或氫與硫酸鹽，能量來源不是太陽，而是地球內部的地熱。

　　今天的土衛二還保留許多以往的樣貌，而我們才剛開始以散落在表面的線索，一一拼湊起土衛二的歷史，即使以卡西尼太空船的能力，仍有許多問題無法解答，必須發射攜帶特殊裝備的太空船繞行此衛星，或是以登陸艇降落表面，才有可能解決這些問題。軌道艇可以完整測繪衛星的重力場及表面狀況，探測內部質量分佈，包括是否有地下液態層等。配備地震儀的小型登陸艇則可偵測地下液體的波動。

　　由於綜合性任務耗資龐大，發展時間又長，因此我們必須慎選目標。許多科學家相當希望再度造訪木衛二，因為它似乎也擁有可能蘊含地外生命的地下海洋。不過對我而言，進一步探索土衛二更有吸引力，因為科學家沒有在木衛二上發現正在活動的噴氣口，而且在內部取樣檢驗是否有生態系統存在時，必須鑽挖相當的深度，在我們有生之年，恐怕不一定有機會從事這麼大的冒險。相較之下，要在土衛二內部取樣，只需要飛入雲霧或在南極區域降落，就可進行觀察和探測了。

　　除此之外，由於土星的磁層相較於木星磁層小了許多，登陸或繞行土衛二的太空船不需要遭遇環繞木衛二時可能影響任務的強大放射線區域。最後，探測土衛二同時還可探測土星系統中另一個可能讓生命萌芽的化學環境：土衛六。

　　就目前而言，我們很高興人類首次深入研究土星和其衛星世界時，能夠在這個渾沌不明的小衛星最南端發現一些不可思議的東西。在這個永不止息的奇妙世界上，遍佈深邃的冰塊裂縫和嘶吼著的詭異噴泉，這些發現滿足了我們的求知欲，也充實了心靈。身為行星探索人員，這正是最大的成就。

（本文原載科學人2009年第83期1月號）