天文太空

貌似地球的衛星

泰坦是土星最大的衛星,卻比土星還像地球,因為它的大氣比地球還厚,地表也跟地球一樣擁有多變的面貌。

撰文/勞倫茲(Ralph Lorenz)、索廷(Christophe Sotin)
翻譯/宋宜真

天文太空

貌似地球的衛星

泰坦是土星最大的衛星,卻比土星還像地球,因為它的大氣比地球還厚,地表也跟地球一樣擁有多變的面貌。

撰文/勞倫茲(Ralph Lorenz)、索廷(Christophe Sotin)
翻譯/宋宜真


如果不知道那是從泰坦(Titan,即「土衛六」)傳回來的影像,我們可能會認為那是火星或地球的新照片。控制室裡有人說那是美國加州海岸,有些人則說是法國蔚藍海岸,甚至有人覺得還真像他家後院。惠更斯號探測器在脫離卡西尼號太空船後,有整整三週都以休止的狀態滑向泰坦。我們之中有些人對惠更斯號懷有深厚情感,他們開始感到焦慮不安,因為我們不但把大部份的工作時間都投入這個任務,還花了許多心思在建造這具探測器的系統和儀器,仔細模擬它在未知的外星世界會怎麼運作。當時我們推測,泰坦大概會像是外太陽系裡的一顆大型衛星,就跟表面坑坑洞洞的木衛四或是死氣沉沉的木衛三差不多。

因此,2005年1月14日清晨,當泰坦的影像出現在德國的歐洲太空任務中心時,才會讓我們那麼興奮又疑惑。沒有人預期到泰坦的地表會跟地球那麼像,惠更斯號在降落的途中拍攝的空照圖顯示,河的支流被降雨而暴漲的河水切割。探測器降落在一個潮濕、佈滿圓石的地方,顯然該處剛受過洪水侵襲。泰坦之所以顯得陌生,正是因為它的景象熟悉得太詭異了。

在其後的這幾年,卡西尼號已經飛掠泰坦60次以上,而我們也終於可以好好消化一下惠更斯號的發現,將之納入卡西尼號逐漸拼湊出的更大圖像中。泰坦的體積比水星大、星體上的活動比火星多、大氣比地球厚,在在具有行星的水準。它的表面受到各式各樣的地質活動所形塑,其中甲烷扮演的角色如同水之於地球一樣重要。甲烷從湖泊蒸發,形成雲氣,然後降下,侵蝕出山谷,再流回湖泊。要是大氣中能有些氧,氣溫也不是-180℃,置身於泰坦就會像是在地球一樣熟悉自在了。


沙丘、沙海、甲烷海

在卡西尼號之前,我們只能看到一個維度的泰坦。航海家號太空船在1980和1981年飛掠泰坦時,看到的是一個霧氣圍繞的橘色發光球體;1990年代中期最先進的望遠鏡,也只得到一個粗略的紅外光地圖,上面有模糊的暗區和亮區。當時科學家似乎認為,只要以單一測量值或一兩句話,便足以描述泰坦的地表或大氣。不過,不斷傳回地球的新資料抹除了這些印象。我們現在得用低緯度的沙海、夏季北極上方的大氣,或是南半球湖區某個多雲的日子來描述泰坦。

泰坦的低緯度地區是一片崎嶇明亮的山丘,其中最顯眼的是一大片叫做「山那度」(Xanadu)的地區,以及一度被認為是液態海的暗色沙海(天文學家總愛把暗色區域稱為「海」,月球上的寧靜海就是最佳例子)。沙丘有100公尺高,蔓延數十至數百公里,就像地球上最大的沙丘,不過泰坦暗色沙海的成份並不是石英之類的矽酸鹽礦物(像地球那樣),而是由碳氫化合物所組成,看起來比較像是一堆堆磨碎的咖啡豆。

在北極附近,我們發現液態的碳氫化合物:陡坡上的小湖泊零星分佈了數十公里;有座乾涸的淺湖「安大略湖」,面積比地球上同名的安大略湖稍大;「克拉肯海」則和地球上的裏海一樣大。這些湖泊的液面高度似乎會隨著時間改變。在如沙漠般的赤道地區與潮濕的極區之間,則是複雜難解的中緯度地區,那裡的地貌是侵蝕出來的,也有液體流動的證據。

直到航海家號造訪泰坦之後,行星科學家才了解,或許泰坦有著甲烷雲、甲烷雨和甲烷海等與地球類似的循環過程。這樣的猜想是有根據的:泰坦的表面溫度和甲烷三相點的溫度十分接近,一如地球表面的溫度也和水的三相點十分接近,讓氣體、液體和固體這三相得以共存。這是否意味著物質在三相間的變換控制了泰坦的溫度?或者溫度相近只是個巧合?

關於液體的第一個證據,是1990年代末期由地基望遠鏡偵測到的:短暫雲氣出現的高度,正是甲烷可能凝結之處。之後有解析度更高的望遠鏡,以及更後來卡西尼號的探測結果,讓我們得以看見雲氣的動態變化:它像地球上的積雲一樣向上攀升,接著形成雨滴落下。卡西尼號還探測到,某些地區在雲氣消散後變得暗沉,這或許意味著該處下了一場雨。

卡西尼號並未直接觀察到甲烷的降雨過程,但從惠更斯號拍攝的空照圖,我們可以確定,泰坦的地形至少有一部份是靠甲烷雨以及液態甲烷快速流過地表所塑造出來的。探測器的降落地點約在南緯10度,那裡是一大片沙海中某些冰冷明亮山丘的邊緣。影像中遠方有兩座長長的沙丘,但在登陸地點附近更像是河床,河床沙土上則散亂佈滿了圓石。惠更斯號上面的阻力鑽測計是它抵達目的地12年之前,勞倫茲(作者之一)還是研究生時設計建造的。這具阻力鑽測計插入地面時,發現土壤又軟又黏,其物理特性接近潮濕的沙地或黏土。

溫度計的快速變化則顯示,熱從探針上散逸的速度非常快,因此地面一定是濕的(就像手指插入海灘潮濕的沙土中,感覺會比插入乾燥的沙土中還冷)。近來的研究成果顯示,甲烷蒸氣當時可能也凝結在惠更斯號攝影機冰冷的隔板上,還有一個影像則是液滴在落入攝影機視線範圍時,反射出的特定光線圖樣──這可是地外世界液體的第一個特寫鏡頭呢。


地底的巨大甲烷儲藏庫

地球除了由太陽驅動水的短期循環,還有地殼板塊驅動水的長期循環;這牽涉到地殼內部和地表之間的水交換。數億年來,水會從地球內部經火山熱點和中洋脊湧出,再由隱沒帶(地殼板塊彼此撞擊並下沉之處)回到地球內部。如果沒有這個循環系統,水就會在大氣層中累積,最後散逸到太空。

那麼,泰坦的情況呢?高層大氣中,由太陽驅動的光化學反應會產生較重的有機物質,在沒有外來補充的情況下,其生產速率能讓大氣和地表的所有甲烷於數百萬年內耗盡。如此看來,泰坦的地底一定也儲存著甲烷,才能散逸到大氣中,情況跟地球上的長期水循環差不多。

卡西尼號並未在泰坦上看到火山熱點或是板塊的特徵,不過卻發現至少有兩個區域:厚提阿卡斯(Hotei Arcus)和土瑞吉歐(Tui Regio),看起來像是凍結的火山流。這兩個區域在近紅外光之下特別明亮,意味著它們的組成物很特殊。有科學家認為,這是因為火山噴發物中的二氧化碳或氨在這些物質上面凍結,所以看起來比較亮,至於這些物質本身的成份和來源則依舊是個謎。另一個地質活動的跡象,則是泰坦上幾乎完全看不見隕石轟擊的痕跡,這表示有火山之類的活動把隕石坑抹平了。根據估計的隕石撞擊率,泰坦地表的年齡大約在2~10億年。

由於泰坦看起來沒有板塊運動的跡象,它的內部循環或許不像地球那樣持續發生,而是間歇性的。關於泰坦的歷史,有人認為甲烷是在以下三個時期從泰坦內部釋放到大氣中:45億年前,泰坦形成之際;25億年前,那時泰坦核心開始出現熱循環;以及10億年前,當時冰凍的地殼出現熱循環。在最近的一次中,泰坦一定發生了全球性的火山噴發活動,弭平了整個地表,一如金星在10億年前出現過的劇變。甲烷噴發之後的地表,一定比今日所見的更潮濕。而在這幾次劇烈噴發之間,泰坦並未發生地殼活動,因此甲烷由內而外的流動量也很微小。這樣的模型不僅解釋了地殼的低密度,也說明了大氣中同位素的詳細組成。

根據描述泰坦內部活動的數學模型,泰坦除了蘊含大量的甲烷,地底可能還有大量的液態水。以惠更斯號做出的電導測量來看,地表下45公里處有著電導層,而水則是最可能的候選者。卡西尼號的雷達也顯示,泰坦的地殼轉速比核心還快,這意味著地殼和地心之間隔著厚厚一層液體,才能讓兩者以不同的速度旋轉。不過最近也有一份分析對此提出了質疑。

不幸的是,泰坦的大氣讓卡西尼太空船無法更接近地表,因而難以觀測泰坦是否因為有海洋而被土星感應出次生磁場。對於木星的衛星而言,這樣的磁場是確認它具有海洋的關鍵證據。當科學家還在辯論能否偵測得到次生磁場的同時,他們又起草了幾個計畫,預計在10年內開始尋找泰坦的磁場訊號以及重力場扭曲的跡象。