泰坦(月亮)

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January 22, 2022

泰坦(或土星六号)是土星上最大的卫星。它是我们太阳系中唯一已知有大气层的天然卫星,也是地球以外唯一已知表面有稳定液体的天体。土卫六是土星的第六颗椭球体(真卫星)。它类似于行星,直径比地球的月球大 50% 左右,质量也大 80% 左右。按直径计算,它是太阳系中的第二大卫星,仅次于木星的卫星木卫三。在体积上,它比最小的行星水星还要大,尽管它的质量只有水星的一半。 1655 年,荷兰天文学家克里斯蒂安·惠更斯 (Christiaan Huygens) 发现土星,泰坦成为已知的第一颗土星卫星,并且在地球以外的行星周围发现了第五颗卫星(前四颗是 1610 年在木星周围发现的伽利略卫星)。钛主要由冰和岩石组成。与金星一样,稠密、不透明的大气层使得在太空时代之前很难了解泰坦的表面。 2004 年,卡西尼-惠更斯号飞船抵达,收集了新的数据,并在极地地区发现了漂浮的碳氢化合物湖。惠更斯号登陆艇于 2005 年 1 月 14 日降落在坚实的地面上。地表在地质上很年轻;尽管已经发现了岩石和几个可能的冰火山,但表面很滑,几乎没有发现撞击坑。泰坦的大气主要由氮组成 - 较小的成分会导致甲烷和乙烷云以及富含氮的有机烟雾的形成。气候——包括风和雨——形成了地表地层,包括沙丘、河流、湖泊和海洋(可能是液态甲烷和乙烷)和三角洲。它们受季节的天气模式支配,就像在地球上一样。液体(地表和地表以下)和强大的氮气氛意味着泰坦的甲烷循环被认为类似于地球的水循环,但温度要低得多。据信,该卫星包含微生物生命,或者至少是一个富含复杂有机化学的生命前环境,其中可能有一个作为生物环境的地下海洋。

发现与名称

1655 年 3 月 25 日,荷兰天文学家和物理学家克里斯蒂安·惠更斯发现了泰坦。惠更斯的灵感来自伽利略在 1610 年发现木星的四颗最大卫星以及他对望远镜技术的改进。在他的兄弟康斯坦丁的帮助下,克里斯蒂安·惠更斯于 1650 年左右开始建造望远镜。他在土星轨道上发现的第一颗卫星是他建造的第一台望远镜。他将月球称为 Saturni Luna(或 Luna Saturni,拉丁语为“土星的月亮”) ) 并于 1656 年在 De Saturni Luna Observatio Nova 上发表了这一发现。在乔瓦尼·卡西尼 (Giovanni Cassini) 在 1673 年至 1686 年间发表了另外四颗月球卫星的发现之后,天文学家开始将这些卫星和土卫六称为土星 I 至 V(土卫六是第四名)。泰坦的其他早期昵称是“土星的普通卫星”。土星六号的官方编号是土星六号,因为这些数字在 1789 年发现后被冻结以避免更多混淆 - 土卫六之前有过二号、四号和六号。从那时起,人们在离土星更近的地方发现了许多较小的卫星。土卫六这个名字以及当时已知的七颗土星卫星的名字,来自于土卫一和土卫二的发现者约翰赫歇尔(威廉赫歇尔的儿子)在他于 1847 年出版的《好望角天文观测结果》一书中他提出了神话中泰坦(古希腊语:Τῑτάν)的名字,希腊土星克罗诺斯的兄弟姐妹。在希腊神话中,泰坦是一群强大的神灵,是统治黄金时代的盖亚和天王星的后裔。来自土卫一和土卫二的发现者约翰·赫歇尔(威廉·赫歇尔的儿子),在他 1847 年出版的《好望角天文观测结果》一书中提出了神话中泰坦的名字(古希腊语:Τῑτάν),希腊土星克洛诺斯的姐妹和兄弟。在希腊神话中,泰坦是一群强大的神灵,是统治黄金时代的盖亚和天王星的后裔。来自土卫一和土卫二的发现者约翰·赫歇尔(威廉·赫歇尔的儿子),在他 1847 年出版的《好望角天文观测结果》一书中提出了神话中泰坦的名字(古希腊语:Τῑτάν),希腊土星克洛诺斯的姐妹和兄弟。在希腊神话中,泰坦是一群强大的神灵,是统治黄金时代的盖亚和天王星的后裔。

轨道和旋转

泰坦在 15 天 22 小时内绕土星运行。像气态巨行星和地球月球的许多其他卫星一样,自转周期与轨道周期相同;泰坦被潮汐锁定,与土星有界自转,同一面总是面向行星。因此,在地表上有一个亚星点,行星似乎直接悬挂在该点上方。泰坦上的经度是从子午线向西测量的。轨道偏心率为 0.0288,轨道平面相对于土星赤道倾斜 0.348 度。从地球上看,月球的角距离约为。距离土星 20 倍的土星半径(刚好超过 120 万公里),形成一个直径为 0.8 弧秒的圆盘。形状不规则的小卫星 Hyperion 被锁定在与泰坦 3:4 的轨道共振中。根据模型,共振的缓慢发展——海波龙从混乱轨道徘徊的地方,不太可能。海波龙很可能是在稳定的轨道上形成的,而巨大的泰坦正在吸收或喷射接近的天体。

主要特点

泰坦的直径为 5,150 公里,而水星为 4,879 公里,月球为 3,474 公里,地球为 12,742 公里。在航海者一号于 1980 年抵达之前,泰坦被认为比木卫三(直径 5,262 公里)稍大,因此是太阳系中最大的卫星。结果证明是错误的,稠密、不透明的大气层在地表上方延伸了数公里,并增加了表观直径。泰坦的直径、质量和密度与木星卫星木卫三和卡利斯托相似。以1.8 g/cm³的主要密度计算,泰坦的主要成分是一半冰一半岩石。它在成分上类似于 Dione 和 Enceladus,但由于重力而具有更高的密度。土卫六大概分为几层,岩核长3400公里,由不同晶体形式的冰组成的几层包围。内部可能仍然很热,并且在冰壳 Ih 和由高压形式的冰组成的更深冰层之间可能存在由水和氨组成的“岩浆”液体层。氨的存在使水即使在低至 -97 °C 的温度下也能保持液态(对于与水的共晶混合物)。这种海洋的证据是大气中的极低频 (ELF) 自然无线电波。表面被认为是极低频波的不良反射体,因此它们可以被地下海洋中的液体和冰之间的边界反射。卡西尼号观测到地表地层在 2005 年 10 月至 2007 年 5 月之间变化了 30 公里。这表明地壳与内部分离,也提供了内部漂浮层的证据。DLR 行星学研究所在 2000 年初的一项研究中,将泰坦与伽利略卫星 Callisto 和 Ganymede 放在一组主要是冰卫星中。

大气层

泰坦是唯一已知的卫星,其大气痕迹不止于此。它是太阳系中除地球外唯一的稠密、富含氮的大气层。 2004 年对卡西尼号的观测表明,土卫六是一个“超级旋转器”,就像金星一样,其大气自转速度比表面快得多。航海者号探测器显示大气层比地球的密度大,表面压力约为地球的1.45倍。大气的质量是地球的 1.19 倍,单位表面积的质量是地球的 7.3 倍。土卫六较低的重力意味着大气层比地球的要广阔得多,大气层对许多波长都是不透明的,并且不可能从轨道上获得完整的反射光谱。 2004 年,卡西尼-惠更斯号拍摄了第一张表面的直接图像。平流层由 98.4% 的氮、1.4% 的甲烷和 0.1-0.2% 的氢组成。除了氰乙炔、氰化氢、二氧化碳、一氧化碳、氰、氩和氦外,还有痕量的其他碳氢化合物,如乙烷、丁二炔、甲基乙炔、乙炔和丙烷。由于甲烷被太阳的紫外线降解,碳氢化合物被认为是在平流层反应形成的,形成浓稠的橙色烟雾。

气候

表面温度约为。 94℃(-179℃)。在这个温度下,冰的蒸气压极低,大气中几乎完全没有水蒸气。与地球相比,月球只接收了 1% 以上的阳光。大气中的甲烷会在泰坦表面形成温室效应,如果没有它,泰坦会冷得多。相反,大气中的干冰通过将阳光反射回房间,从而抵消部分温室效应加热,从而产生反温室效应。因此,表面比上层大气冷得多。泰坦的云——可能由甲烷、乙烷或其他简单的有机化合物组成——散布在整个干冰中并且变化无常。惠更斯号探测器的发现表明,大气层会周期性地在地表下雨液态甲烷和其他有机化合物。云通常覆盖泰坦圆盘的 1%,但在喷发期间会迅速扩大到 8%。一种假设声称,南方的云是在泰坦尼克号夏季日照水平升高导致大气抬升,从而导致对流时形成的。由于不仅在夏至之后而且在春季中期都观察到云的形成这一事实使这种解释变得复杂。南极甲烷湿度的增加可能会导致云层大小的迅速增加。直到 2010 年,土卫六的南半球一直是夏天,当时土星的轨道——控制月球的运动——使北半球向太阳倾斜。当季节如此变化时,预计乙烷将开始在南极上空凝结。一种假设声称,南方的云是在泰坦尼克号夏季日照水平升高导致大气抬升,从而导致对流时形成的。由于不仅在夏至之后而且在春季中期都观察到云的形成这一事实使这种解释变得复杂。南极甲烷湿度的增加可能会导致云层大小的迅速增加。直到 2010 年,土卫六的南半球一直是夏天,当时土星的轨道——控制月球的运动——使北半球向太阳倾斜。当季节如此变化时,预计乙烷将开始在南极上空凝结。一种假设声称,南方的云是在泰坦尼克号夏季日照水平升高导致大气抬升,从而导致对流时形成的。由于不仅在夏至之后而且在春季中期都观察到云的形成这一事实使这种解释变得复杂。南极甲烷湿度的增加可能会导致云层大小的迅速增加。直到 2010 年,土卫六的南半球一直是夏天,当时土星的轨道——控制月球的运动——使北半球向太阳倾斜。当季节如此变化时,预计乙烷将开始在南极上空凝结。但也是在春季中期。南极甲烷湿度的增加可能会导致云层大小的迅速增加。直到 2010 年,土卫六的南半球一直是夏天,当时土星的轨道——控制月球的运动——使北半球向太阳倾斜。当季节如此变化时,预计乙烷将开始在南极上空凝结。但也是在春季中期。南极甲烷湿度的增加可能会导致云层大小的迅速增加。直到 2010 年,土卫六的南半球一直是夏天,当时土星的轨道——控制月球的运动——使北半球向太阳倾斜。当季节如此变化时,预计乙烷将开始在南极上空凝结。

地表地层

该表面被描述为“复杂的、经过液体处理的、[和]地质年轻的”。人们相信泰坦自太阳系形成以来就已经存在,但最近的一次事件塑造了它的表面。泰坦的大气层是地球的两倍,这使得天文仪器难以将光谱表面映射到可见光。卡西尼号探测器使用红外仪器、雷达高度计和合成孔径雷达 (SAR) 来绘制泰坦的部分近距离通过.第一张图像显示了不同的地质,包括粗糙和均匀的区域。有些地层似乎起源于火山,可能会喷出与氨混合的水。条纹地层,其中一些长达数百公里,似乎是由风吹颗粒造成的。表面比较光滑;少数似乎是撞击坑的物体显然已经被重新填满,可能是碳氢化合物雨或火山。使用雷达的高度测量表明高度变化很小,通常低于 150 m。已观察到 500 m 的零星高度变化,泰坦的山脉有时可达数百米,有时甚至超过 1,000 米。表面有标记由具有明暗地形的广阔区域组成。世外桃源是一个面积与澳大利亚相当的大型反射赤道区域,在 1994 年哈勃望远镜的红外图像中发现了该区域,后来被卡西尼号观测到。这个重叠的地区充满了丘陵和拦截山谷和峡谷。穿过这个有黑色线条 - 蜿蜒的地形结构,看起来像山脊或裂缝。这些可能代表构造活动,这可能表明世外桃源在地质上是年轻的。或者,线条可能是液体通道,指示已与当前系统相交的较旧地形。从地面和卡西尼号上也观察到了其他地方类似大小的暗区。据推测,它们是甲烷或乙烷湖,但卡西尼号的观测结果似乎表明并非如此(见下文)。

液体

根据航海者 1 号和 2 号的数据提出了可能的碳氢化合物海洋。他们表明泰坦有一个厚厚的大气层,其温度和成分都适合支撑它。证据出现在 1995 年,当时来自哈勃和其他观测的数据表明液态甲烷存在于解耦口袋或类似于地球水的卫星范围内的海洋中。但最初没有观察到镜面反射。在南极附近,确定了安大略拉库斯的黑暗地层——后来证实是一个湖。从雷达图像中还确定了极点附近可能的海岸线。在 2006 年 7 月 22 日的绕行期间,探测器绘制了北纬地区的地图,当时那里是冬季,并发现了许多大型、在极点附近的表面上甚至(因此对于雷达来说是暗的)斑点。科学家于 2007 年 1 月宣布,这是“土星卫星泰坦上充满甲烷的湖泊的确切证据”。卡西尼-惠更斯号团队得出的结论是,这些地层几乎可以肯定是碳氢化合物湖——在地球以外发现的第一个稳定的地表流体体。有些似乎有与液体相连的通道,并位于地形凹陷中。液体侵蚀形成的地层似乎相对较新:一些地区的运河形成的侵蚀少得惊人,这表明侵蚀极其缓慢,或者最近的另一种现象已经摧毁了较旧的河床和地貌。湖泊仅占地表的百分之几,泰坦比地球干燥得多。尽管大多数湖泊都集中在两极附近——那里相对缺乏阳光,阻碍了蒸发——但在赤道沙漠地区也发现了一些长寿命的碳氢化合物湖泊,包括香格里拉地区惠更斯着陆点附近,大约是犹他州 Store Saltsjø 大小的一半。赤道湖泊可能是“绿洲”,由地下含水层提供。2008 年 6 月,卡西尼号的视觉和红外测绘光谱仪证实了安大略湖中存在液态乙烷。同年 12 月 21 日,卡西尼号从安大略湖上空掠过,并用雷达观察到了壮观的反射。反射强度使探头接收器饱和,表明湖水位变化不超过 3 毫米。这意味着地表风很小,或者说碳氢化合物的海洋是粘稠的。镜面反射表明表面光滑,镜面闪亮,因此观察证实了雷达图像上存在大的液体。该观测是在北极地区从 15 年的冬季黑暗中出现后不久进行的。 2009 年 7 月 8 日,卡西尼号的 VIMS 观测到反射反射,表明在该地区从 15 年的冬季黑暗中出现后不久,现在被称为北极湖景颇湖的表面光滑、镜面闪亮。 2009 年 7 月和 2010 年 1 月表明安大略湖极浅,平均深度为 0.4-3.2 m,最大深度为 2.9-7.4 m。雷达可测量的深度为 8 m。在 2006 年至 2010 年期间的六次绕行期间,卡西尼号收集了辐射跟踪和光学导航数据,这些数据可能表明月球形状发生了变化。泰坦的密度与一个由大约 60% 的岩石和 40% 的水组成的天体一致。分析表明,在每个轨道期间,表面可以上升和下降高达 10 m。扭转程度表明泰坦的内部可能已经变形,一个可能的模型是漂浮在全球海洋顶部的数公里厚的冰壳。这些发现以及之前的研究表明,海洋距离地表以下不超过 100 公里。分析表明,在每个轨道期间,表面可以上升和下降高达 10 m。扭转程度表明泰坦的内部可能已经变形,一个可能的模型是漂浮在全球海洋顶部的数公里厚的冰壳。这些发现以及之前的研究表明,海洋距离地表以下不超过 100 公里。分析表明,在每个轨道期间,表面可以上升和下降高达 10 m。扭转程度表明泰坦的内部可能已经变形,一个可能的模型是漂浮在全球海洋顶部的数公里厚的冰壳。这些发现以及之前的研究表明,海洋距离地表以下不超过 100 公里。

撞击坑

卡西尼号的雷达、合成孔径雷达和图像数据显示,表面上几乎没有撞击坑。与月球的年龄相比,存在的那些似乎相对年轻。卡西尼号的国际空间站发现了一个 440 公里宽的水池,有两个环,称为 Menrva,呈浅暗同心圆状。 Sinlap 陨石坑的直径为 60 公里,底部平坦。 Ksa 的直径为 30 公里,底部有一个中央峰值。用雷达拍摄的图像和卡西尼号进行的测绘显示“陨石坑形状”,表面上的圆形构造可能与撞击有关,但缺乏某些特性被安全识别。一个 90 公里宽的轻质粗糙物质环——被称为 Guabonito,被认为是一个充满黑暗、风吹过的沉积物的撞击坑。在黑暗的香格里拉和阿鲁地区也观察到了类似的地层。2006 年 4 月 30 日卡西尼号飞行期间,雷达观测还揭示了几个可能是 Xanadu 明亮区域中的环形山的环形山。许多环形山或可能的环形山显示出广泛侵蚀的迹象,并且都显示出变化的迹象。大多数大型陨石坑都有破碎或不完整的边缘,尽管有些陨石坑的边缘比太阳系中的其他陨石坑的质量要大。与其他大型冰卫星相比,几乎没有证据表明通过地壳中的粘弹性应力释放形成了回纹。大多数陨石坑没有中央山峰,甚至有底部,这可能是由于撞击产生或后来的冰火山熔岩喷发所致。虽然各种地质过程的填充是泰坦相对缺乏陨石坑的原因之一,但大气保护也发挥了作用。据估计,大气使陨石坑的数量减少了两倍。2007 年泰坦 22% 的雷达覆盖表明分布不均匀。世外桃源的陨石坑比其他地方多 2-9 倍。前半球的密度比后半球高 30%。在有赤道沙丘的地区和北极地区,碳氢化合物的湖泊和海洋最为常见,它们的密度较低,它们以液态水的形式留在火山口中。它可以作为液体持续存在几个世纪或更长时间,足以“合成简单的前体分子到生命的起源”2007 年泰坦 22% 的雷达覆盖范围表明分布不均匀。世外桃源的陨石坑比其他地方多 2-9 倍。前半球的密度比后半球高 30%。在有赤道沙丘的地区和北极地区,碳氢化合物的湖泊和海洋最为常见,它们的密度较低,它们以液态水的形式留在火山口中。它可以作为液体持续存在几个世纪或更长时间,足以“合成简单的前体分子到生命的起源”2007 年泰坦 22% 的雷达覆盖范围表明分布不均匀。世外桃源的陨石坑比其他地方多 2-9 倍。前半球的密度比后半球高 30%。在有赤道沙丘的地区和北极地区,碳氢化合物的湖泊和海洋最为常见,它们的密度较低,它们以液态水的形式留在火山口中。它可以作为液体持续存在几个世纪或更长时间,足以“合成简单的前体分子到生命的起源”在有赤道沙丘的地区和北极地区,碳氢化合物的湖泊和海洋最为常见,它们的密度较低,它们以液态水的形式留在火山口中。它可以作为液体持续存在几个世纪或更长时间,足以“合成简单的前体分子到生命的起源”在有赤道沙丘的地区和北极地区,碳氢化合物的湖泊和海洋最为常见,它们的密度较低,它们以液态水的形式留在火山口中。它可以作为液体持续存在几个世纪或更长时间,足以“合成简单的前体分子到生命的起源”足够长的时间“合成生命起源的简单前体分子”足够长的时间“合成生命起源的简单前体分子”

冰火山和山脉

长期以来,科学家一直想知道泰坦上的条件是否与地球早期历史相似,尽管温度要低得多。 2004 年在大气中发现的氩气 40 表明火山喷出了由水和氨组成的“熔岩”柱。地表湖泊分布的全球地图显示,没有足够的地表甲烷来解释大气中的持续存在。因此,很大一部分必须来自火山过程。然而,缺少可以明确解释为冰火山的地表构造。卡西尼号的雷达观测揭示了暗色地层甘内萨黄斑,类似于金星的“煎饼圆顶”,被解释为一个低温火山圆顶。美国地球物理联合会在 2008 年 12 月否认了这一点,卡西尼号还发现了一个不寻常的光形成 - 称为托尔托拉光斑 - 被解释为一个低温火山圆顶。截至 2010 年,没有发现类似的地层。2008 年 12 月,天文学家宣布在大气中发现了两个短暂但不寻常的长寿命“亮点”,它们似乎过于持久,无法仅用天气模式来解释。这表明它们是广泛的冰火山作用的结果。2009年3月,在Hotei Orcus地区发现了类似于熔岩流的结构。这些似乎在几个月内在亮度上波动。尽管提出了许多解释,但发现熔岩流上升到地表以上 200 米,根据它是从地表下方喷发的事实。一座长 150 公里的山,卡西尼号于 2006 年发现了宽 30 公里和高 1.5 公里的山脉。该山脉位于南半球,据信由覆盖着甲烷雪的冰冷物质组成。可能受到附近撞击池影响的构造板块的运动,可能在岩石材料出现的地方打开了一个缺口。在卡西尼号之前,科学家们假设大部分地形都是撞击坑,但这些山脉是通过地球等地质过程形成的。 2010 年 12 月,卡西尼号任务背后的团队宣布了迄今为止发现的最有说服力的低温火山——光斑索特拉火山。它是至少三座山脉中的一座,所有山脉都高 1,000-1,500 米,其中几座山的顶部有大陨石坑。基地周围的地面似乎被冰冻的熔岩流覆盖。如果泰坦上存在火山活动,是假设它是由地幔中放射性元素衰变释放的能量提供动力的,就像在地球上一样。地球的岩浆由液体岩石组成,其密度小于它所穿透的固体岩石地壳。冰的密度比水低,泰坦的水岩浆将比固体冰壳密度更大。这意味着低温火山活动必须由大量额外能量驱动,可能是通过土星的潮汐弯曲。或者,驱动低温火山的压力可能是由泰坦外壳下侧的冰 Ih 造成的。覆盖在硫酸铵液层上的低压冰向上流动,不稳定的系统会产生剧烈的水柱。表面通过硫酸铵的灰烬和颗粒大小的冰进行更新,这有助于产生多风的景观和沙丘地层。2008 年,艾姆斯研究中心的行星学家杰弗里摩尔提出了另一种观点。到目前为止,还没有明确地确定火山地层,他声称泰坦是一个地质死亡的世界,其表面是由撞击坑、河流和雄辩的侵蚀、质量运动和其他外生过程形成的。根据这个假设,甲烷不是由火山释放出来的,而是从泰坦冰冷坚硬的内部缓慢扩散出来的。 Ganesa Macula 可能是一个被侵蚀的陨石坑,中间有一个黑色的羽绒被。一些地区的山脊可以解释为大型多环撞击地层周围高度退化的边缘,或者由于内部缓慢冷却导致的全球收缩。即使在这种情况下,泰坦也可能有温度为 176 K (-97 °C) 的氨和水共晶混合物的内陆海洋。这足够低,可以用原子核中放射性元素的衰变来解释。 Xanadu 的轻型地形可能是一个退化的重火山口地形,类似于在 Callisto 表面观察到的地形。如果不是因为缺乏大气,卡利斯托本可以成为泰坦地质学的模型。杰弗里·摩尔(Jeffrey Moore)用天气称泰坦卡利斯托(Titan Callisto)。即使在这种情况下,泰坦也可能有温度为 176 K (-97 °C) 的氨和水共晶混合物的内陆海洋。这足够低,可以用原子核中放射性元素的衰变来解释。 Xanadu 的轻型地形可能是一个退化的重火山口地形,类似于在 Callisto 表面观察到的地形。如果不是因为缺乏大气,卡利斯托本可以成为泰坦地质学的模型。杰弗里·摩尔(Jeffrey Moore)用天气称泰坦卡利斯托(Titan Callisto)。即使在这种情况下,泰坦也可能有温度为 176 K (-97 °C) 的氨和水共晶混合物的内陆海洋。这足够低,可以用原子核中放射性元素的衰变来解释。 Xanadu 的轻型地形可能是一个退化的重火山口地形,类似于在 Callisto 表面观察到的地形。如果不是因为缺乏大气,卡利斯托本可以成为泰坦地质学的模型。杰弗里·摩尔(Jeffrey Moore)用天气称泰坦卡利斯托(Titan Callisto)。卡利斯托可能是泰坦地质学的模型。杰弗里·摩尔(Jeffrey Moore)用天气称泰坦卡利斯托(Titan Callisto)。卡利斯托可能是泰坦地质学的模型。杰弗里·摩尔(Jeffrey Moore)用天气称泰坦卡利斯托(Titan Callisto)。

黑暗地形

2000 年代初期由地面望远镜拍摄的第一张地表图像显示了大片黑暗地形延伸到泰坦赤道。在卡西尼号到来之前,人们认为这些地区是焦油或碳氢化合物等有机物质的海洋。卡西尼号探测器拍摄的雷达图像显示,其中一些地区有广阔的平原,覆盖着沙丘,高达 330 m,约一公里宽,几十到几百公里长。据信这些线性羽绒被是由中等多变的风形成的,这些风要么沿着一个主要方向,要么在两个不同的方向之间交替。这种类型的沙丘总是与平均风向一致。在泰坦上,稳定的纬向(东风)风与变化的潮汐风(大约 0.5 m/s)相结合。潮汐风来自土星大气层上的潮汐力——比月球在地球上的潮汐力强 400 倍——并倾向于将风吹向赤道。这种风模式导致沙丘以平行的东西长线堆积。羽绒被在风向变化的山脉周围分解。沙子可能是在液态甲烷下雨并侵蚀冰基岩时形成的,可能是洪水的形式。或者,沙子也可能来自泰坦大气中光化学反应产生的有机物质。 2008 年 5 月对羽绒被的成分进行的研究表明,它们比泰坦的其余部分含有更少的水,而且它们很可能来自雨后聚集到地表的有机材料。这种风模式导致沙丘以平行的东西长线堆积。羽绒被在风向变化的山脉周围分解。沙子可能是在液态甲烷下雨并侵蚀冰基岩时形成的,可能是洪水的形式。或者,沙子也可能来自泰坦大气中光化学反应产生的有机物质。 2008 年 5 月对羽绒被的成分进行的研究表明,它们比泰坦的其余部分含有更少的水,而且它们很可能来自雨后聚集到地表的有机材料。这种风模式导致沙丘以平行的东西长线堆积。羽绒被在风向变化的山脉周围分解。沙子可能是在液态甲烷下雨并侵蚀冰基岩时形成的,可能是洪水的形式。或者,沙子也可能来自泰坦大气中光化学反应产生的有机物质。 2008 年 5 月对羽绒被的成分进行的研究表明,它们比泰坦的其余部分含有更少的水,而且它们很可能来自雨后聚集到地表的有机材料。或者,沙子也可能来自泰坦大气中光化学反应产生的有机物质。 2008 年 5 月对羽绒被的成分进行的研究表明,它们比泰坦的其余部分含有更少的水,而且它们很可能来自雨后聚集到地表的有机材料。或者,沙子也可能来自泰坦大气中光化学反应产生的有机物质。 2008 年 5 月对羽绒被的成分进行的研究表明,它们比泰坦的其余部分含有更少的水,而且它们很可能来自雨后聚集到地表的有机材料。

观察与探索

肉眼永远无法看到泰坦,但可以通过小型望远镜或强力双筒望远镜观察到。由于土星及其环系统很近,业余观测很困难;覆盖部分眼睛并阻挡明亮行星的掩星棒增强了看到月球的能力。最大表观尺寸等级为 +8.2,平均反对尺寸等级为 8.4。相比之下,木卫三——大小差不多——在木星系统中+4.6。1907年,西班牙天文学家何塞普·科马斯·索拉(Josep Comas Solà)建议他在泰坦圆盘边缘附近观察到日食,中心有两个圆形的白点. 柯伊伯在 1940 年代发射大气层是下一个重大观测事件。

先锋11

第一个访问土星系统的探测器是 1979 年的先驱者 11 号。它随后确定泰坦可能太冷而无法维持生命。探测器拍摄了月球的第一张图像(包括一些月球和土星的合影),但这些图像质量很差。泰坦的第一张特写拍摄于 1979 年 9 月 2 日。

航海者

1980 年和 1981 年,航海者 1 号和航海者 2 号都探索了泰坦。航海者 1 号改变了航向,以更近距离地通过泰坦。该探测器于 1980 年 11 月 12 日以 6,490 公里的距离通过了月球。不幸的是,该船缺乏穿透雾霾的仪器。许多年后,对通过航海者一号橙色滤镜拍摄的图像进行密集数字处理,揭示了现在被称为世外桃源和香格里拉的明暗地层的暗示。然而,哈勃望远镜已经在红外线中观察到了它们。航海者 2 号对泰坦进行了粗略的观察,并于 1981 年 8 月 25 日以 665,960 公里的距离掠过月球。航海者 2 号背后的团队可以选择仔细观察泰坦,或者使用不同的轨道来对抗天王星和海王星。鉴于航海者 1 号没有看到地表构造,我们选择了后一个选项。

卡西尼惠更斯号

即使有来自航海者号探测器的数据,泰坦仍然是一个神秘的物体——一颗行星状卫星,被大气层包围,难以进行详细的观测。自 17 世纪克里斯蒂安·惠更斯和乔瓦尼·卡西尼的观察以来,围绕泰坦的谜团以一艘以他们命名的航天器告终。卡西尼-惠更斯号于 2004 年 7 月 1 日抵达土星,并开始用雷达绘制泰坦表面的地图。作为欧洲航天局 (ESA) 和 NASA 的联合项目,这是一次成功的任务。卡西尼号宇宙飞船于 2004 年 10 月 26 日飞越泰坦,在仅 1,200 公里的高度拍摄了有史以来最高分辨率的月球图像。它还揭示了人眼从地球上看不到的亮点和暗点。惠更斯于 2005 年 1 月 14 日登陆泰坦,并发现许多地表地层似乎是由过去的流动液体形成的。22。 2006 年 7 月,卡西尼号在距离泰坦 950 公里处完成了第一次有针对性的近距离传球。最低的旁路是 2010 年 6 月 21 日的 880 公里。地表的液体是在北极地区的沉积物中发现的。泰坦是距离地球最远的天体,也是太阳系中另一个在其表面有太空探测器的卫星。

惠更斯号着陆点

惠更斯号航天器刚好在明亮的阿迪里地区最东边的边缘外着陆。拍摄到的苍白的山丘,带有黑色的“河流”,流向一片黑暗的平原。目前的理解是山丘(或“高地”)主要由冰组成。由太阳在高层大气中的紫外线辐射形成的深色有机化合物可以从大气下雨到地表。它们被甲烷雨冲下山丘,成为平原上超过地质时间尺度的沉积物。登陆后,惠更斯拍摄了覆盖着小石块和碎石的黑暗平原,由冰组成。右侧图像中心正下方的两块石头比它们看起来要小:左侧的一块是 15 厘米,中间的一块是 4 厘米。这张照片是在大约 10 米的距离拍摄的。 85 厘米。岩石底部的侵蚀表明可能有河流活动。表面比最初想象的要暗,它由水和碳氢化合物冰的混合物组成。图片中显示的“地球”可能是碳氢化合物雾霾的沉淀物。 2007年3月,美国宇航局、欧空局和空间研委会决定将惠更斯号的着陆点命名为休伯特·库里恩纪念站,以纪念欧空局前任主席。

未来的任务

泰坦土星系统任务(TSSM)是美国宇航局和欧空局之间拟议的联合项目,旨在探索土星的卫星。该任务设想一个热气球在月球大气层中漂浮六个月。该任务与欧洲木星系统任务 (EJSM) 争夺资金,2009 年 2 月,很明显 ESA 和 NASA 已将 EJSM 优先于 TSSM,并且他们将尝试为 TSSM 寻找更晚的日期。 2012 年 5 月,NASA 提出了泰坦海马探索者 (TiME),这是一种成本较低的登陆艇,可以降落在泰坦北极附近的一个湖泊中,并在湖面上漂浮 3-6 个月。该项目预计于 2016 年启动,2023 年抵达泰坦。 2012 年 10 月提出了一个带有泰坦湖原位采样推进探测器(TALISE)概念探测器的欧洲登陆项目。与时间探针的主要区别在于推进系统。

益生元条件和生命机会

卡西尼-惠更斯号没有检测生物特征或复杂有机化合物的设备。然而,泰坦上的环境与早期地球的理论环境部分相似。科学家们假设早期地球的大气在成分上与目前的泰坦大气相似,但有一些重要的例外,例如泰坦上缺乏水蒸气。一些科学家认为这颗卫星包含微生物的外星生命,或者至少包含一个富含复杂有机化合物的益生元环境。

复杂分子的形成

米勒-尤里实验和随后的几项实验表明,在与泰坦上发现的大气相似的气氛下,再加上紫外线辐射,可以生成复杂的分子和聚合物,例如 tholines。反应开始于氮和甲烷的离解,形成氢碳化氢和乙炔。在此过程中总共形成了 22 个氨基酸。进一步的反应得到了广泛的研究。2010 年 10 月,亚利桑那大学的莎拉·霍斯特 (Sarah Horst) 报告说,在将能量用于气体组合时产生的许多化合物中,发现了五种核苷酸碱基——DNA 和 RNA 的组成部分,例如那些在泰坦的气氛中。。霍斯特还发现了氨基酸,这是蛋白质的组成部分。她说这是第一次在这样的实验中发现核苷酸碱基和氨基酸,没有液态水存在。

地表以下可能的栖息地

实验室模拟表明,土卫六上有足够多的有机材料,可以开始化学演化,演化为地球上的生命起源。虽然这个类比假设液态水存在的时间比目前观察到的要长,但有几种理论表明,沉淀中的液态水可以保存在冻结的绝缘层下。据观察,液态氨海洋可能存在于地表深处。一个模型建议在冰壳下深达 200 米的情况下使用氨和水的溶液,条件是“地球标准是极端的,但生命实际上可以生存”。内部和上层之间的热传输对于维持地下海洋中的生命至关重要。泰坦上微生物生命的发现将取决于生物效应。例如,已经探索了大气中的甲烷和氮可能是生物来源的。

甲烷和地表生命

有人提出生命可能存在于泰坦的甲烷湖中,就像地球上的生物生活在水中一样。这些生物会吸入 H2 而不是 O2,用乙炔代替葡萄糖代谢它,然后以甲烷而不是二氧化碳的形式呼出。他们可以使用液态碳氢化合物作为溶剂,例如甲烷或乙烷,而不是液态水。水比甲烷更易溶解,但也更具化学反应性,可以通过水解分解大的有机分子。以碳氢化合物为溶剂的生命形式不会以这种方式破坏生物分子。2005 年,天体生物学家克里斯托弗·麦凯(Christopher McKay)认为泰坦表面可能存在的产甲烷生命可能会对对流层的混合比产生可测量的影响;2010 年,约翰霍普金斯大学的 Darrell Strobel 发现大气上层的分子氢含量高于下层。他主张以每秒约 1025 个分子的速度向下流动,并且氢在表面附近消失。这一发现与 Chris McKay 预测的如果那里存在产甲烷生命形式的影响是一致的。同年,另一项研究表明泰坦表面的乙炔含量被克里斯·麦凯解释为与生物体消耗碳氢化合物的假设一致。麦凯指出,对于氢和乙炔的发现,还有其他可能的解释;当前未知的物理或化学过程的可能性(例如,表面上的催化剂以碳氢化合物或氢为基础)或当前的物质流动模型中缺乏的可能性。必须记录有关成分和传输模型的数据。考虑到化学催化剂的简单性与生物形式的复杂性,奥卡姆剃刀将物理或化学解释置于生物学解释之上。然而,麦凯指出,其中一些的发现,包括仅一种在 95 K (-180 °C) 下有效的催化剂,将是一个重要的发现。美国宇航局在 2010 年 6 月写道:“迄今为止,甲烷基于的生命形式只是假设。研究人员尚未在任何地方发现这种生命形式。此外,美国宇航局写道:“一些科学家认为这些化学特征加强了原始、泰坦表面上奇异的生命形式或生命的先驱。”

益生元条件

与太阳的大距离意味着泰坦冰冷(云层的反温室效应加剧了这一事实)并且大气缺乏二氧化碳。乔纳森·卢宁 (Jonathan Lunine) 等科学家认为泰坦上不太可能存在生命,而是将其视为关于地球上生命出现之前普遍存在的条件的探索性理论的实验。泰坦环境中的益生元条件和相关的有机化学对于了解陆地生物圈的早期历史非常重要。使用泰坦作为益生元实验不仅涉及通过航天器进行观察,还涉及实验室实验以及地球上的化学和光化学建模。

泛种假说

Panspermia 表明,从统计学上讲,泰坦上的任何生命形式都更有可能起源于地球,而不是它们独立出现的。在大型小行星和彗星撞击地球表面的过程中,数以亿计的微生物岩石碎片可能已经脱离了地球的引力。计算表明,其中一些将与太阳系中的其他天体相遇,包括泰坦。另一方面,乔纳森·卢宁(Jonathan Lunine)认为,泰坦(Titan)的低温碳氢化合物湖中的每个生物都必须在化学上与地球上的生命大不相同,以至于不能成为另一个的祖先。

未来关系

在大约 六十亿年后太阳变成红巨星。泰坦的表面温度将升至 ~ 200 K (-70 °C) - 足够高以在表面存在水和氨混合物的稳定海洋。随着太阳紫外线辐射的增加,土卫六上层大气中的雾霾将消失,地表的反温室效应将减弱。这反过来又会导致大气甲烷形成的温室效应发挥更大的作用。这样的环境可以创造将持续数亿年的生命。尽管泰坦上的氨会延迟相同的化学反应,但这段时间足以让地球上的简单生命得以发展。

要注意

参考

参考文献 其他参考

文学

文章的文献

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进一步阅读

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外部链接

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