科學家認為他們破解了木衛二表面自轉冰殼的謎題

Sophia

木星的衛星木衛二（又稱歐羅巴 Europa ）是我們太陽系中最光滑的固態天體，這要歸功於它有厚重的冰殼。然而，在其光滑的外表之下，這顆木星的第四大衛星似乎還隱藏著一個秘密——也就是深海、鹹海，存在著令人好奇的外星生命的潛力。

這片海洋使木衛二成為科學研究的主要目標，包括在未來兩年內向木星發射兩個獨立的軌道飛行器任務。

雖然這兩個探測器都需要數年的時間才能到達，但科學家們已經先通過其他方式了解木衛二，例如從望遠鏡觀測、在從前飛越的探測器、在實驗室進行實驗和電腦模擬中收集資訊。

為什麼表面冰殼的旋轉速度比天體內部快？

在一項新研究中，來自美國加州理工學院噴氣推進實驗室 (JPL) 和日本北海道大學的研究人員使用 NASA 超級電腦研究了木衛二一個鮮為人知的特性：為什麼它表面冰殼的旋轉速度比天體內部快？

根據他們的研究，表面不同步的旋轉可能是由於下方的洋流推動造成的。這是一個很大的啟發，主要作者、同時為 JPL 研究員的 Hamish Hay 解釋道，他現在就職於牛津大學，這是一個新線索，可以提供我們關於木衛二正在發生的事情的資訊。

Hay 説：「在此之前，通過實驗室實驗和電腦模擬，我們得知了木衛二海洋的升溫和冷卻可能會驅動洋流。現在我們的研究結果突出了海洋與冰殼旋轉之間的連結，這是我們以前從未考慮過的。」

木衛二冰凍表面的插圖，同時可以看到木星在天空中若隱若現。（John S. Howard/NASA）
木衛二冰凍表面的插圖，同時可以看到木星在天空中若隱若現。（John S. Howard/NASA）

由於冰殼是漂浮在木衛二的海洋上，因此它可以獨立於衛星的其他部分自行旋轉，包括海洋、岩石內部和金屬核心。科學家們長期以來一直懷疑這一點，但推動冰殼旋轉的力量一直很神秘。

木衛二受到木星潮汐的影響，木星通過其強大的引力扭曲了衛星。這種巨大的引力作用導致木衛二的冰殼出現裂縫，並可能產生出部分地幔和地核的熱量。再加上放射性衰變釋放的熱能，木衛二內部的這種熱能被認為會通過海洋上升到冰凍的表面，就像一壺水在爐子上加熱一樣。

結合木衛二的自轉和其他因素，這種垂直的溫度梯度應該能夠推動一些相當大型的洋流。

木星引力和木衛二海洋洋流影響冰殼移動

根據這項研究中的估計，這些洋流可能強大到足以移動整個星球的冰殼。目前沒有人確切知道冰殼的厚度，但估計其厚度是在 15 到 25 公里之間。

雖然科學家們知道木衛二的冰殼很可能會自行旋轉，但他們也一直在注意可能是以木星的引力影響作為驅動力。

NASA 噴氣推進實驗室的研究合著者和木衛二探測器項目的科學家 Robert Pappalardo 說：「對我來說，海洋環流中發生的事情能夠影響冰殼是完全出乎我們意料的，這是一個非常大的驚喜。」

Pappalardo 補充道：「我們在木衛二表面看到的裂縫和山脊可能與下方海洋的環流有關——正常情況下，地質學家通常不會認為『也許是海洋造成的』。」

研究人員利用 NASA 的超級電腦建立了複雜的木衛二海洋模擬模型，借鑒了地球上用於模擬海洋的技術。

這些模型使他們能夠更深入地研究木衛二上水循環的細節，包括這些模式如何受到海洋升溫和冷卻的影響。

該研究的一個關鍵重點是阻力，也就是海洋將冰推到其上方的水平力。研究人員將阻力因素考量進模擬模型之後，他們發現一些較快的水流可以產生足夠的阻力來加速或減慢木衛二冰殼的旋轉。

雖然這種影響取決於水流的速度，但研究人員指出木衛二的內部升溫可能會隨時間而變化。 這可能會導致洋流速度的相應變化，進而導致冰殼旋轉得更快或更慢。

研究人員指出，除了幫助我們了解木衛二之外，這項研究還可能適用於其他海洋世界，那裡的表面特徵可以提供隱藏在水下水域的線索。

Hay 説：「現在我們知道了天體內部海洋與這些天體表面的潛在關係，我們將能夠更多地了解它們以及木衛二的地質歷史。」

未來木星衛星觀測計畫

ESA 的木星冰月探測器 （JUICE）計劃於 2023 年 4 月發射，開始其研究木星三顆有大型海洋的衛星的航程：木衛三、木衛四和木衛二。

2024 年底， NASA 計劃發射其 Europa Clipper （木衛二快船）軌道飛行器，該飛行器將進行近 50 次近距離飛越，以調查該衛星的潛在宜居性。根據這項新研究的研究者說，它甚至可以精確測量木衛二冰殼旋轉的速度。

該研究發表在 JGR Planets 上。

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資料來源：

  1. Mclendon, R., (19 March 2023). Scientists Think They’ve Cracked The Mystery of Europa’s Weird Rotating Ice Shell. ScienceAlert

  2. Hay, H. C. F. C., Fenty, I., Pappalardo, R. T., & Nakayama, Y., (19 Febuary 2023). Turbulent Drag at the Ice-Ocean Interface of Europa in Simulations of Rotating Convection: Implications for Nonsynchronous Rotation of the Ice Shell. JGR Planets (https://doi.org/10.1029/2022JE007648)

  3. https://www.sciencealert.com/scientists-think-theyve-cracked-the-mystery-of-europas-weird-rotating-ice-shell (NASA/JPL-Caltech/SETI Institute)