天衛一裂谷與潛在地下海洋的最新科學發現

天衛一裂谷與潛在地下海洋的最新科學發現

研究背景與主要來源

天衛一（Ariel）是天王星的一顆大型冰衛星，過去僅有旅行者2號在1986年飛掠時拍攝過部分表面影像。多年來科學家一直懷疑，外太陽系許多冰衛星可能藏有冰下海洋，例如木星的木衛二（歐羅巴）和土星的土衛二（恩克拉多斯）都已確認存在地下液態水海洋。相較之下，天王星的衛星尚未有太空探測器近距離詳查，不過近期的天文觀測和科學研究正改變我們對天衛一的看法。特別是2024年7月，一項利用詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）的新研究發表於《天體物理學期刊快報》，由美國約翰霍普金斯大學應用物理實驗室（APL）的天文學家Richard Cartwright領導。該研究透過紅外光譜觀測發現天衛一表面可能存在由內部湧出的碳氧化合物，暗示著衛星冰殼下可能藏有液態海洋。隨後在2025年2月，APL的行星地質學家Chloe Beddingfield等人在《行星科學期刊》發表了另一項相關研究，分析天衛一表面的裂谷結構，提出這些槽溝可能就是內部物質上湧的通道。這些研究主要由美國太空總署（NASA）支持，利用NASA的航太資源（如JWST及旅行者探測器資料）和學術機構合作完成，並由NASA/ESA的韋伯望遠鏡觀測、同行評審的科學期刊發表成果。此外，NASA在2023年的行星科學十年規劃中已將對天王星系統的探測列為優先，顯示科學界對這些發現的重視。

研究方法

科學家運用了多種方法來調查天衛一可能的地下海洋與裂谷活動：

• 太空望遠鏡光譜觀測：利用詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的紅外線光譜功能，科學家對天衛一表面進行了化學成分分析。透過JWST高靈敏度的光譜資料，研究團隊偵測到該衛星表面的冰成分，特別是二氧化碳冰和一氧化碳的存在，並量化了其豐度。這種遙測觀測讓研究人員首次有機會在地球之外直接測量天衛一表面的化學組成。為了驗證光譜結果，團隊還將遙測數據與實驗室中的冰和化合物混合物光譜進行對比，以確認所觀測特徵對應的物質。
• 航天器影像分析：研究人員重新分析了旅行者2號當年拍攝的天衛一表面影像。雖然旅行者2號僅拍攝了約35%的天衛一表面（許多區域尚無清晰影像），但已取得的照片顯示該衛星表面佈滿峽谷、裂縫和溝槽等構造。科學家針對影像中的「中央槽溝」展開詳細測繪，利用數位地形模型和地質對比分析，嘗試復原這些峽谷在裂開前的對接情形。透過將峽谷兩側數位“拉合”對比，他們發現左右岩壁邊緣可以嚙合吻合，如同拼圖般契合，顯示峽谷曾經是連在一起的地殼，後來被拉開並由新物質填充。同時，峽谷底部可見平行排列的脊狀結構，類似推土機軌跡，這被解讀為多次噴出物沉積後冷卻收縮形成的痕跡。這些特徵都透過高解析度影像測量和比對，支持一種「擴張中心」的成因模型。
• 理論模型與計算機模擬：為解釋上述觀測，科學家構建了天衛一內部構造和熱演化的模型，包括模擬潮汐加熱週期、對流與地殼擴張等過程。研究團隊假設天衛一過去曾與天王星其他衛星進入軌道共振，導致強烈潮汐力反覆使內部加熱-融化-再凍結。透過熱演化計算，他們評估在特定參數下天衛一內部是否能維持一層液態海洋，以及該海洋可能的深度與壽命。另一方面，為了闡明地表裂谷的成因，科學家借鑒地球中洋脊擴張的機制，建立對流上湧導致地殼張裂的模型。這些模型與觀測證據進行比對，確認地殼擴張模型能良好解釋天衛一峽谷槽溝的形態和排列。此外，在光譜分析方面，團隊也使用了化學反應模型和實驗，模擬在冰殼下海洋與岩石互動時可能產生的化學產物，並將之與JWST觀測到的光譜特徵比較。透過以上觀測和模擬手段的結合，研究者得以從多角度驗證天衛一存在地下海洋及內部活動的可能性。