土星有美丽的土星环和一个庞大的卫星系统，天文学家已经发现的土星卫星超过100颗。作为发现最早、距离土星最近的卫星之一，土卫一（Mimas）此前在这个卫星家族中并不显眼，天文学家一直认为它是一颗沉寂的卫星。
但是，一项最新研究将会改变他们对土卫一的认识。2024年2月7日，一个由法国巴黎天文台瓦列里·莱尼（Valéry Lainey）博士领导的国际研究团队在《自然》（Nature）杂志发表论文，公布了他们对土卫一的研究成果。暨南大学计算机科学系张庆丰副教授也参与了这项研究。他们发现，在土卫一表面冰壳之下大约20—30千米的深度存在一个全球性海洋，体积占到土卫一总体积的一半。这片海洋非常年轻，形成时间距今约为200万至2500万年。
不起眼的卫星
1789年9月17日，英国天文学家威廉·赫歇尔（William Herschel）使用他的40英尺反射式望远镜发现了土卫一。后来，威廉·赫歇尔的儿子、天文学家约翰·赫歇尔（John Herschel）以希腊神话中的巨人米玛斯（Mimas）的名字命名了这颗卫星。
土卫一看起来是一颗平平无奇的卫星。它的平均直径为396千米，因为个头小，因此无法维持球体的形状，而是像一颗鸡蛋。土卫一的低密度显示，它几乎全部由水冰构成，这也是天文学家目前唯一在土卫一上探测到的物质。它距离土星的平均距离只有18.6万千米，不到地月平均距离的一半，绕土星公转一周需要22小时36分钟。和月球同地球的相对位置相似，土卫一被土星潮汐锁定，即土卫一有一面始终面对土星而另一面始终背向土星。
土卫一的表面布满陨石坑，而它最具标志性的特征就是一个巨大的陨石坑，即赫歇尔陨石坑。赫歇尔陨石坑的直径达到130千米，约为土卫一直径的三分之一。这个陨石坑的存在使得土卫一看起来就像是电影《星球大战》（Star Wars）中的“死星”（Death Star）。
卡西尼号探测器拍摄的土卫一。（图片来源：NASA）
在很长时间里，天文学家使用地基望远镜看到的土卫一只不过是一颗小点。1997年，卡西尼—惠更斯号探测器发射升空。2004年，作为轨道器的卡西尼号进入环绕土星的轨道；在进行13年的探测后，卡西尼号于2017年受控坠入土星大气层中。卡西尼号对土卫一进行了近距离观测，帮助天文学家获得了大量详细的观测数据，还拍摄了土卫一的清晰图像。
冰层下的海洋
天文学家不是首次在土星的卫星系统中发现地下海洋。在此之前，他们已经在土卫二（Enceladus）的冰层之下发现了海洋。土卫二的地下海水冲破冰层喷发而出形成的羽流堪称太阳系中最壮观的景象之一。
土卫二的地下海洋在南极附近冲出表面形成羽流的示意图。（图片来源：NASA）
土卫一与土卫二同土星的距离相近，大小也相似，土卫二的直径约为500千米。这次发现使得二者更加相似。不过，土卫二表面下的海洋以巨大羽流的形式冲出冰壳，而土卫一的海洋则暗藏于它的冰壳之下。
卡西尼号可以飞过土卫二的巨大羽流，从而确认内部海洋的存在，甚至能够发现其中的复杂分子，但是用这种方法无法探测土卫一的内部海洋。不过，虽然无法进行直接探测，卡西尼号的探测数据还是在天文学家发现土卫一内部海洋的过程中发挥了关键作用。
莱尼等人最初是在使用卡西尼号的数据研究土星环中的裂缝即卡西尼缝的时候，发现了土卫一内部可能存在海洋的线索。2010年，他们在研究土卫一的轨道变化是否会对卡西尼缝产生影响时，注意到土卫一的自转和轨道存在奇怪的漂移。到了2014年，他们经过研究认为，只有两个可能的原因会导致这样的摆动：要么土卫一有一个变形的固态岩石核心；要么它有一个内部海洋，使得外壳可以独立于内核而摆动。
这个团队的进一步研究表明，如果观察到的摆动是由岩质内核引起的话，这个内核会呈现被拉长的扁平状，类似一块薄饼，但这与天文学家的观测结果明显不符。因此，研究人员只能用土卫一存在内部海洋来解释观测结果。而且，从2014年开始观测到的土卫一的轨道演化也进一步支持它有一个全球性内部海洋的猜想。
土卫一的轨道仍然保持倾斜，研究人员由此推算出内部海洋的年纪很轻。同时，他们还计算出在土卫一的海洋里可能存在多少水。莱尼指出，对于这个大小的卫星来说，有一半的体积被水占据，这是非常惊人的水量。
宜居的可能性
虽然天文学家此前已经在土卫二、木卫二（Europa）等太阳系内的卫星上发现了地表之下的海洋，但是此次发现土卫一的地下海洋还是一个重要的突破，因为他们从未设想过在像土卫一这样非常寒冷且看起来不存在地质活动的卫星上可能存在液态水。这篇论文的共同作者、伦敦大学玛丽女王学院尼克·库珀（Nick Cooper）博士指出：“土卫一被陨石坑覆盖的表面没有给出内部暗藏海洋的任何痕迹。”
研究人员认为，土卫一海洋中的水与岩质内核发生摩擦，同时会被摩擦产生的热量所加热。而在此之前，天文学家没有考虑过在土卫一内部会存在诸如加热或者水和岩质内核相互作用这样的内部地球物理活动。水和岩石的相互作用被认为在地球上的生命起源和演化过程中发挥了至关重要的作用。因此，在土卫一发生的这类反应使得土卫一可能具备适宜生命存在的条件。
土卫一还为天文学家提供了一个难得的机会去观察海洋形成的早期阶段。库珀认为，土卫一应该成为研究生命起源的重要候选天体。土卫一上发现海洋表明，即使看起来不活跃的小型天体也可能拥有支持生命必需条件的隐藏海洋。
这项发现可能改写天文学家对“海洋卫星”（Ocean Moon）的定义，改变我们在太阳系内的卫星上搜寻可能存在的地外生命的方式，拓宽了在太阳系内搜寻宜居条件甚至地外生命的前景。莱尼认为，土卫一绝对不是那种看起来有可能宜居的天体，因此如果土卫一可能具有宜居条件的话，其他很多种类型的天体都可能具备宜居的条件。
研究人员期望在未来能够派遣探测器降落在土卫一和土卫二的表面上，对这两颗卫星的内部海洋进行进一步的研究。莱尼表示，任何前往土卫二的太空任务都应该同时对土卫一进行研究，因为两颗卫星的距离很近，有相似的海洋系统，只是两颗卫星的海洋系统处于不同的演化阶段。
不过，要想实现派遣探测器的目标，现在看来还比较遥远。2022年，美国国家航空航天局（NASA）公布了下一个十年（2022年—2032年）的重点任务，其中一项旗舰项目就是“土卫二绕落器”（Orbilander），这台探测器由轨道飞行器和着陆器组成，目标是对土卫二进行探测。但是该项目计划在本世纪30年代后期发射，最终到达土卫二并实施着陆可能要在50年代初。
与此同时，莱尼计划通过地面观测继续对土卫一进行研究，探索它的温度如何演化、内部海洋如何影响了它的轨道以及这些对土星环和土星的其他卫星产生了哪些影响等问题。这些研究有助于帮助天文学家更好地计算出土卫一内部海洋的年龄。
天文学家已经在气态巨行星的卫星上发现了地下海洋，土卫一的地下海洋是太阳系内新的水世界。因此，对于生命起源和演化至关重要的水在太阳系内似乎并不如天文学家曾经认为的那样稀缺。于是，他们正在扩大搜索地外生命的范围，除了把目光瞄准遥远的系外行星外，在太阳系内的这些卫星上，未来或许就能发现适宜生命存在的环境，从而彻底改变我们对于生命起源和演化的理解。
南方周末特约撰稿 鞠强
责编 朱力远
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