哈勃望远镜在欧罗巴发现持久水蒸气大气的证据

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液态水是支撑所有已知生命形式的复杂化学中的关键成分。欧罗巴的地下海洋不是由阳光加热的,而是由木星巨大的引力场对卫星的微妙弯曲所温暖。液态水和能源的存在使欧罗巴成为太阳系中最有可能实现潜在宜居性的位置之一。

美国宇航局/欧空局哈勃太空望远镜最近观测到木星卫星之一的甘尼梅德大气层中的水蒸气。对档案图像和光谱的新分析表明,木星冰冷的卫星欧罗巴的大气层中也存在水蒸气。分析发现,水蒸气大气只存在于月球的一个半球。这一结果增进了我们对冰月大气结构的理解,并为即将进行的探索木星冰月的科学任务奠定了基础。

欧罗巴是木星79颗卫星之一,是距离木星最近的第六颗卫星,也是太阳系中第六大卫星。它是一个比矮行星冥王星大的冰体,表面光滑冰冷,裂缝和裂缝伤痕累累。月球表面是一个暗淡的环境,平均温度为170°C,只有脆弱的大气层。然而,天文学家怀疑欧罗巴在其冰面下蕴藏着一片广阔的海洋,一些科学家推测它可能承载着外星生命[1]。现在,天文学家首次发现了欧罗巴大气中持续水蒸气的证据。

一位天文学家利用最近在木星卫星Ganymede的大气层中发现了水蒸气的技术,在欧罗巴的尾随半球发现了水的证据——月球上一直与其运动方向相反的部分[2]。先前的研究根据计算机模拟预测了水蒸气的不对称分布,但以前没有观察到。

这项研究的作者、瑞典斯德哥尔摩KTH皇家理工学院的洛伦茨·罗斯评论说:对甘尼梅德和欧罗巴尾部水蒸气的观测增进了我们对冰月大气层的理解。”在欧罗巴发现稳定的H2O丰度是令人惊讶的,因为表面温度太低了。

为了实现这一发现,罗斯钻研了哈勃望远镜的档案数据集,从1999年、2012年、2014年和2015年月球处于各种轨道位置时,对欧罗巴进行了紫外线观测。这些观测都是用哈勃望远镜最通用的仪器之一——太空望远镜成像光谱仪(STIS)进行的。这些紫外线STIS观测使罗斯能够确定氧气的丰度——欧罗巴大气中水的成分之一——并通过解释不同波长的发射强度,他能够推断出水蒸气的存在。

先前对欧罗巴水蒸气的观测与冰层中喷发的瞬态羽流有关,类似于地球上的间歇泉,但高度超过100公里。在这些羽流研究中看到的现象显然是大气中短暂的不生化或斑点。然而,新的结果表明,在1999年至2015年的观测中,类似的水蒸气分布在更大的区域。这表明在欧罗巴的后半球长期存在水蒸气大气。尽管欧罗巴的尾半球存在水蒸气,但欧罗巴主要半球没有H2O的迹象。

致力于了解这些冰冷卫星的太空科学家将很快能够从特写镜头中获益。欧空局的JUpiter冰月探测器(JUICE)任务正在为木星三大冰月——木卫二、卡利斯托和欧罗巴的游览做准备。JUICE 是欧空局宇宙愿景 2015-2025 计划中的第一个大型任务,预计将于 2022 年发射,2031 年到达木星。探测器将携带一套先进的仪器——有史以来最强大的遥感有效载荷飞向太阳系外——并将至少花费三年时间对Jovian系统进行详细观测。美国宇航局的”欧罗巴快船”任务也将访问欧罗巴,该任务将执行一系列月球飞行任务,并调查其可居住性,并为未来的任务选择一个着陆地点。

罗斯总结说:”这一结果为未来的科学奠定了基础,基于即将到来的乔维安卫星任务。”在JUICE和欧罗巴快船等航天器到达之前,我们越能了解这些冰冷的卫星,我们就能更好地利用我们在乔维安系统内有限的观测时间。”

这一发现以及来自 JUICE 等即将进行的飞行任务的见解将提高我们对太阳系中潜在宜居环境的理解。了解木星及其卫星的形成和演化也有助于天文学家深入了解其他恒星周围的木星类系外行星。结合太空望远镜的观测结果,如即将发射的美国宇航局/欧空局/CSA詹姆斯·韦伯太空望远镜,这可以帮助天文学家确定在宇宙其他地方的木星类系外行星系统中是否可能出现生命。

笔记
[1] 液态水是支撑所有已知生命形式的复杂化学中的关键成分。欧罗巴的地下海洋不是由阳光加热的,而是由木星巨大的引力场对卫星的微妙弯曲所温暖。液态水和能源的存在使欧罗巴成为太阳系中最有可能实现潜在宜居性的位置之一。

[2] 欧罗巴被潮汐锁定,这意味着它需要同样多的时间来旋转自己的轴,因为它做轨道木星。这意味着欧罗巴的同一半球总是面对木星,而同一个半球的卫星总是面对远离欧罗巴沿着其轨道飞行的方向。地球的月亮也是潮汐锁定的,这就是为什么我们总是在夜空中看到同样的月亮的一面。

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