如何看待 NASA 證實太陽系最大衛星木衛三確有海洋這篇報道？

11-28

美國國家航空航天局（NASA）12日宣布，太陽系最大衛星木衛三的冰蓋下有一片鹹水海洋。這一發現再次為科學家拓寬視野，使探尋太陽系宜居星球的努力更進一步。

木衛三名為「蓋尼米得」，是圍繞木星運轉的最大一顆衛星，公轉周期約為7天。它的直徑大於水星，質量約為水星的一半，也是太陽系中最大的衛星。

一段時間以來，許多科學家推測木衛三的表面下存在著一片鹹水海洋。如今，這一猜測在「伽利略」號探測器以及哈勃太空望遠鏡傳回的數據幫助下得到證實。

科學家估計，這片海洋存在於厚度約15萬米的冰蓋下，深度約為10萬米，是地球上海洋深度的10倍。它的水溫則足以讓其保持液狀形態。

「上世紀70年代起就有關於『蓋尼米得』擁有海洋的猜測和推演，」德國科隆大學地球物理學教授約阿希姆·紹爾說，「現在，我們不再有這些疑問。」

美國航空航天局行星科學部主管吉姆·格林稱讚這一發現是「一次令人震驚的證明」。「他們找到了藉助太空望遠鏡探測行星內部結構的新方法。」格林說。

除木衛三外，科學家們先前已經發現木衛二「歐羅巴」以及土星的衛星「恩克拉多斯」上有海洋。按美國研究天文學大學協會執行副主席海迪·哈梅爾的話說，這項發現無疑讓科學家在探尋宜居星球的道路上再進一步。

哈梅爾告訴記者，歐洲航天局即將於2022年開展「木星的冰衛星探測者」計劃。屆時，人們將對包括木衛三在內的木星衛星有更多了解。

「哈勃太空望遠鏡的觀測已經證實木衛三表面下有一片鹹水海洋，」她說，「而當『木星的冰衛星探測者』探測器最終進入木衛三的軌道，那將會成為一個成果非常豐富且令人激動的科學項目。」

閆潔（新華社供本報特稿）

一直很關注這個新聞，來強答一下吧，學藝不精，權當拋磚引玉了。歡迎各位大牛討論和賜教。（不過我看這個話題才十個人關注-_-#）

本文也同步更新於個人微信號twinkle_crystal_ball，未經許可嚴禁轉載~（公眾號為保護版權之用，不用關注o(╯□╰)o）
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1. 哪有什麼大新聞？

剛看到NASA這個新聞的時候，我其實是有點震驚的。因為總體來說普通觀眾對Ganymede（木衛三）這顆默默無聞的星體應該沒有什麼關注度才對啊，你說火星發現液態水痕迹啥的大家激動激動也很正常，Ganymede是個什麼鬼，我覺得對大多數人來說僅僅就是個名字而已吧？然而那幾天一下子看到好幾篇這樣的新聞，連英語閱讀app扇貝新聞都有，這個關注度，乍一看還以為是什麼石破天驚的大新聞o(╯□╰)o，但其實這篇論文的結論一點都不驚人啊，也僅僅發表在JGR (Journal of Geophysical Research: Space Physics)上而已啊（我沒有歧視JGR的意思，真的沒有！）。

↓ NASA的新聞 Hubble Sees Potential Underground Ocean on Jupiter"s Largest Moon

2. Ganymede地下海洋存在的認知過程

認為Ganymede地表下有海洋，這完全不是什麼新觀點，可以說是一直以來公認的推測，雖然沒有被完全證實，但其實大家基本都相信的。

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對Ganymede內部構造的認識，最初是根據先驅者號(Pioneer 13, 1973; Pioneer 14, 1974)和旅行者號(Voyager, 1979)的觀測結果（平均密度1940kg/m^3），認為大致是由60%的石頭(rock)和40%的冰(ice)組成的，且不能判斷這些成分是均勻混合在一起的還是已經分化成石質的核(rocky core)和冰質的幔(icy mantle)(Schubert et al., 1986)，液態海洋這個觀點其實七十年代就有了，最早的論文我找不到啊o(╯□╰)o。如果Ganymede形成之初是均勻生長的，生長過程中也沒有經歷熔融分化過程，那麼就很可能一直保持較為均勻的冰-石混合狀態，如果經歷了熔融分化，那麼較重的硅酸鹽成分會「沉」下去，輕的冰質會「浮」上來，形成較為穩定的層狀結構。

但對於一個已經充分分層的星體，你很難知道它究竟分了多少層以及每層的狀態！最直接的觀測數據是地震波，但目前只有地球和月球有地震數據（月球只有早期阿波羅探測器安置的有限的幾個地震儀，覆蓋率低，可信度存疑），其他星體只能通過各種間接手段來推測。

整合旅行者號的約束條件：1)密度，2)有限的低階重力數據，3)成分估計為ice和rock，4)對Ganymede形成和熱狀態的分析認為它很可能是經歷了熔融分化的 → Mueller and McKinnon (Icarus, 1988) 假設了一個三層模型，從內而外依次為：石質的核，冰-石混合物的幔，冰層，且認為冰層來自於液態水的重新凍結，可能存在海洋然後被冰層封住了。

伽利略號(Galileo, 1996-1999)的磁力計確認了Ganymede存在自發的磁場，並更新了平均密度(1936±22kg/m^3)和重力數據，通過有限的低階重力數據更新了Ganymede的慣量矩C/MR^2=0.3105±0.0028。均質球體的慣量矩是0.4，星體如果已經分化成層，那麼總體趨勢是表層向質心每層的密度會逐漸增大，實際慣量矩越小於0.4，說明該星體的分化(differentiation)程度越高。Ganymede的慣量矩幾乎是太陽系固態星體里最小的（比如，地球0.334，Io 0.378），說明Ganymede已經高度分化，且內核的密度相對較大。

整合伽利略號的約束條件：1)密度，2)慣量矩，3)Ganymede有自發的磁場， 4)光譜數據表明表面（尤其是Bright Terrain）含有大量水冰 → Anderson et al.(Nature, 1996)更新了一個三層模型，推測Ganymede由內而外依次為：400-1300km的金屬的核（成分可能是純鐵或鐵和硫化鐵的混合物，僅僅是液態海洋層存在的假設不足以提供這麼大的自發磁場，所以認為有個金屬的核），硅酸鹽質的幔，約800km厚的冰層。

伽利略號的近紅外光譜成像儀(near-infrared mapping spectrometer, NIMS)的反射光譜數據表明Ganymede表面有和Europa表面成分相似的水合物(hydrated materials)，主要是固態的硫酸鎂鹽，McCord et al. (Science, 2001) 認為這些物質來自Ganymede的地表以下，表明其地表層下有一個液態的海水層(briny layer)。

通過伽利略號的磁力計數據，Kivelson et al. (Icarus, 2002)推測Ganymede地表層下可能存在一個導電的液態層，位於地表幾百千米下，成分可能為溶解了電解質的液態水，且這個液態層可能像三明治一樣夾在兩個冰層之間。這一推測和上面那篇基本吻合。

除了這些，還有從軌道耦合，熱演化，天平動和軌道擾動(Showman et al., Icarus, 1997; Freeman, PSS, 2006; Rambaux et al., AA, 2011)各個角度支持這個觀點的論文，我寫不動了@_@。

Vance et al.(PSS, 2014)進一步通過對硫酸鎂鹽的液態海洋以及冰層的狀態等熱力學性質，認為不僅僅是三明治結構，液態海洋層上下可能被好幾層冰包圍，應該是個「多層三明治」結構。NASA還做了一段視頻，需要翻牆看（Jupiter"s "Club Sandwich" Moon）
↓ Ganymede May Harbor "Club Sandwich" of Oceans and Ice

此外，除了Ganymede之外，其他兩個伽利略衛星Europa和Callisto也基本被證實有地下海洋的存在。

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其實上面一大段枯燥煩人的流水賬只說了一件事：Ganymede地表下有液態海洋，這個觀點已經在學術圈存在三十多年啦，其間n多論文不過是用或強或弱的間接證據支持了這個觀點，認為這個觀點有存在的可能性，或者乾脆如果存在我來算算會有啥影響，而已。金屬核的存在和光譜數據推測的海水層的存在這兩篇是發了Nature和Science的，其他基本都是Icarus，JGR這個水平的期刊了，並不是說這些論文一定沒有Nature和Science的好，但確實一定程度上可以說明這些論文的結論並不是足夠新穎的（是不是有點太以成敗論英雄了？畢竟我的鑒別能力還不夠嘛！）。

3. NASA這篇新聞里的論文講了啥？

↓ The search for a subsurface ocean in Ganymede with Hubble Space Telescope observations of its auroral ovals

這篇論文開了一個很棒的腦洞：第一次用哈勃望遠鏡觀測的極光來探測星體內部結構。因為Ganymede本身非常特殊，既受到木星的磁場作用，自身又有自發磁場，而兩者都是可以對極光的狀態產生影響的。極光環的位置會隨著木星的時變磁場而震蕩，而液態海洋層的存在可以部分抵消震蕩的尺度。於是這篇論文模擬了如果沒有海洋層的情況下，這個激光圈位置的震蕩範圍在5.8°±1.3°，如果有海洋層則只有2.2°±1.3°，而哈勃望遠鏡觀測的平均值是：2.0°±1.3°，從一個和過去所有方法完全不同且獨立的方法證實了液態海洋層的存在，且計算的深度在地表下150km-250km之間。

↓ Saur et al. (JGR, 2015) 圖1 液態海洋層存在情況下（紅色範圍）比不存在（藍色範圍）的震蕩範圍小。

補個其他報道介紹里的圖 Scientists just found an ocean trapped under the ice of Ganymede, Jupiter"s largest moon

右邊是假設存在液態海洋，左邊是假設不存在 (NASA, ESA, and A. Feild)

評價：在不能實際挖掘也沒有地震數據的情況下，這篇論文雖然也只是間接證明，但確實可以認為是目前為止最有力的證明。而且這個思路真的好棒！（只是這種數值模擬反演真的沒有湊數據么我表示懷疑啊。。。）

至此，目前認為的Ganymede的內部簡化結構基本就是下圖這樣了（簡化，簡化，不是說真的嚴格這樣，不是說冰層就是純冰！），從內到外依次為：金屬核（Fe，FeS），硅酸鹽幔，冰層，鹽水海洋層，冰層
↓ Ganymede diagram.svg

4.可能的意義

4.1 我個人覺得最重要的意義是：說明之前那麼多論文都沒有被打臉，算是個皆大歡喜的結論吧（誤！）

4.2 液態水代表可能有生命存在可能成為移居星球神馬的這些梗地球人都知道的吧，雖然我覺得這頂多是必要條件離充分條件還很遠呢，但這個梗如此觸動普通觀眾的神經，對NASA求經費也很有幫助的吧o(╯□╰)o，不知道為什麼有一種錯覺，覺的近幾年NASA對各種發現液態水（痕迹）的結果報道力度特別大。。。

4.3 這篇文章提出了一個探測星體內部結構的新方法，作者也表示，此後所有既受時變磁場作用又有極光的星體都可以嘗試類似的方法（問題是你告訴我現在還有別的么o(╯□╰)o），anyway，將來或許用得上。

4.4 NASA和歐空局（ESA）共同主持（JAXA也有部分參與）的用於探索木星及其衛星的JUICE計劃 (Jupiter Icy Moons Explorer， NASA and JPL Contribute to European Jupiter Mission，ESA Science Technology: JUICE，JUICE Project for the study of Jupiter and its moons) 已於2014年正式啟動，預計2022年發射，2030年到達木星開始探測，或許2033年左右可以收到數據。我相信，在此之前任何新的發現和進展，都能讓未來的JUICE任務有更充分的準備。人類目前最先進的技術，加上二十年的等待，會帶來怎樣天翻地覆的刷新我們認知的結果呢？希望我有生之年能夠看到。

↓看看計劃搭載的儀器真的是挺激動的o(╯□╰)o （http://www.lpi.usra.edu/pss/april2013/presentations/5_Salute_JUICE.pdf）

4.4 液態海洋其他可能的意義，對行星地質學、天文和星體形成演化的意義，這些我完全不了解啊，歡迎補充~

個人理解，在Ganymede上海洋的發現，因對地球上深海熱泉生物聚落的了解深入而顯得更為重要。
通常認為生物存活仰賴於陽光，但對深海熱泉生態系統的研究使科學家認識到：一、生物可以在人類難以想像的嚴苛環境中繁盛。二、基於太陽能之外的能量供給的生態系統是存在的。基於上述認識，如果Ganymede上存在海洋，則在其中存在地外生命的可能性也大大增加。

就提醒你們一句極端環境下可能有適應環境的生物。

人們常常以為，宇宙中只有地球是個有空氣、有水、有陽光的美麗星球，但是我猜想宇宙中有海洋的星球多了去了，象地球這樣的星球也許都數不勝數，但是很多人還是頑固的認為外星人以為地球好，要侵略地球、要佔領移民地球。也許地球人沒發現外星人的一個重要原因是外星人並不看好地球環境，也不擔心地球文明會構成什麼威脅，從而不理睬地球而已。