土卫二会存在生命吗？
图片来源：戈达德航天中心
撰文 | 亚采克·克里维科（Jacek Krywko）
翻译 | 张宇哲
近二十年来，直径500千米左右的土卫二成了搜寻地外生命的热点星球。2005年，美国航空航天局（NASA）与欧洲空间局（ESA）联合发射的“卡西尼”号探测器在进入环土星轨道后不久，便发现了土卫二南极的水汽喷流，这成为土卫二亮白色冰壳下存在液态海洋的确凿证据。随着对喷流中冰粒成分的进一步分析，天体生物学家从中发现了多种能够形成生命的复杂分子结构，让人们对这颗冰卫星的兴趣愈发浓厚。
如今，研究者重新分析了“卡西尼”号在2017年土星任务结束前获取的数据，发现了更令人兴奋的线索：喷流中存在一些复杂有机分子——在地球上，这些分子会参与形成更复杂的化合物，这些化合物对生命至关重要。相关论文已发表于《自然·天文学》（Nature Astronomy），新发现正在推动更多的探测任务，搜寻这颗神秘星球上的生命迹象。
与地球的遥远距离并非土卫二保持神秘的唯一原因。德国柏林自由大学的行星科学家诺泽尔·赫瓦贾（Nozair Khawaja）指出，“卡西尼”号探测器最初并非为了深入研究土星系统中某一天体而设计。“卡西尼”号发射于近三十年前，那时人们尚不知道土卫二存在地下海洋，更不知道它的南极喷流。想用这台探测器搭载的古老装置承担天体生物学的深入研究任务困难重重，尤其是分析和处理它获取的复杂数据。
难点之一在于“卡西尼”号搭载的质谱仪——宇宙尘埃分析仪（Cosmic Dust Analyzer， CDA）——分辨率较低。探测器在飞掠喷流时，可以通过冰粒撞击在CDA上产生的尘埃推断其化学组分。但赫瓦贾解释道，喷流中物质浓度极高，CDA常常被大量数据“淹没”。样品中占比近98%的是普通水分子，但要弄清楚剩下的2%左右的物质组成，则需要精心安排“卡西尼”号多次飞掠喷流，还要在长达数年时间里完成一系列对CDA工作模式的微调。最终，在2008年10月9日代号E5的一次高速飞掠（约18千米每秒，比以往的速度高约6千米每秒）中，研究人员拿到了关键数据——在这次飞掠前，土卫二恰好经历了一次剧烈喷发。
赫瓦贾解释道：“E5的撞击速度更高，撞上CDA的水分子会被破坏。而其他组分，比如一些有机化合物却能够保留下来。”此外，那些刚刚喷出的物质还没有受到宇宙射线的影响。早在2011年，这项新研究的部分作者就曾发表论文，报告了数年来对E5数据的分析结果。如今，经过大量实验，研究人员系统研究了冰粒撞击速度对CDA采集到的数据的影响，终于能够揭示喷流中的主要组分。
“要彻底解读CDA的数据需要付出极大的耐心和努力，”美国约翰·霍普金斯大学应用物理实验室的行星科学家香农·麦肯齐（Shannon MacKenzie，未参与这一研究）表示，“我非常钦佩他们展现出的用心程度。”
研究结果显示，喷流中包含了几种质量较大的复杂化合物，这些化合物此前曾在土卫二喷发到土星环的物质中探测到。赫瓦贾指出，这些化合物出现在“新鲜”喷流中，证明它们源自土卫二的地下海洋。更令人兴奋的是，研究人员还在喷流中找到了一些首次发现的新化合物，它们可能源自土卫二更深层的地下。
以土星为背景的土卫二（图片来源：戈达德航天中心）
“我们在这些新鲜的冰粒中检测到了酯类和醚类等分子，其中含有氧原子和双键，”赫瓦贾介绍道，他的团队还发现了一些可能同时含有氧原子和氮原子的化合物，“我们推测这些化合物是合成更复杂有机分子的中间体，甚至可能与某些生命过程相关。”当然，目前尚无法下定论，因为CDA收集到的有机分子被击碎成无数碎片，研究人员还在尝试把它们重新拼回去。
“这项工作证明，喷流中的一些碎片确实来自相当大型且复杂的有机物，而后者又可能源自更复杂的有机物。”行星科学家、NASA喷气推进实验室的海洋世界实验室主任凯文·汉德（Kevin Hand，未参与这一研究）表示，“如果我们潜入土卫二的地下海洋，究竟会发现什么呢？研究发现的化合物是否只是冰山一角？”
赫瓦贾认为这些新发现的化合物可能参与了某些生命“反应网络”，合成嘧啶类分子——一类DNA形成必需的分子。这一反应网络也可能合成脂质——这是一种能够自发组装成细胞膜的分子。即便如此，赫瓦贾依然提醒道：“目前我们仍无法判断这些化合物是否真的与生命过程相关。”
当前，研究人员正在开发一种先进的计算机模型，用于模拟土卫二完整的地下环境，构建化合物的可能来源和化合物之间的反应网络。“卡西尼”号采集的数据仍存在一定的挖掘空间，赫瓦贾表示：“其中存在一些目前无法理解的光谱类型。”
获得明确答案的大部分希望寄托在ESA未来的任务规划中，包括发射一颗比卡西尼号更先进的轨道器，以及一台着陆器。（但汉德认为仅轨道器便足以胜任这一任务，因为喷流在持续提供新鲜样本：“既然土卫二在免费提供样本，我们为何要冒险着陆呢？”）
无论以何种形式探索，土卫二都无疑是寻找地外生命的热门候选。赫瓦贾解释：“ 水、能量和合适的化合物，这里同时具备形成宜居环境的三大基石。”他还指出，即便未来没有在土卫二上面发现生命，探索意义仍然非常巨大：“三大基石齐备但生命仍不存在，这意味着形成生命还需其他必备条件。”
本文选自《环球科学》2025年12月刊“前沿”栏目。
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