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滅霸老家 – 泰坦長啥樣?首張土衛六全球地質圖揭秘



土星最大的衛星,滅霸老家,土衛六泰坦(Titan),是目前太陽系中已知的唯一一顆同時擁有稠密大氣層和液態海洋的衛星。從某種程度上來說,它是整個宇宙中目前已知的和我們的地球最相似的星球之一。

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地球、月球、土衛六大小對比,土衛六平均直徑約5149公里,是月球的1.5倍。來源:NASA

土衛六到底長啥樣?

自1655年惠更斯首次發現土衛六以來的三百多年裡,我們幾乎不知道土衛六表面的到底是什麼樣的。

近日,NASA噴氣動力實驗室JPL的行星科學家Rosaly Lopes及其同事們繪製完成了土衛六的首幅全球地質圖,為我們打開了土衛六這個神奇新世界的大門,這一成果於2019年11月18日在線發表在《自然·天文》雜誌(1)。

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首張土衛六全球地質圖。編譯自:Nature (2)

為什麼我們用了這麼久才知道土衛六表面的細節?

為什麼說這是第一幅土衛六全球地質圖而不是世界地圖?

如何看懂這幅地質圖?這幅地質圖告訴了我們什麼?

……

了解土衛六的表面,為什麼這麼難?

原因很簡單,因為土衛六的大氣層太厚太稠密,而且對可見光幾乎是不透明的。即使是近距離飛掠的探測器,也難以在可見光和紅外波段看到土衛六表面的細節。

1979、1980、1981年,先驅者11號、旅行者1號、旅行者2號先後近距離飛掠了土衛六,只留下了這些被霧霾層包裹、一團模糊的身影。

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三張可見光影像的拍攝距離分別為36萬公里、4千公里和230萬公里。來源:NASA(3)

直到馳騁土星系統13年,2017年光榮退役的卡西尼號探測器,才真正為我們揭開了土衛六神秘的面紗。

從2004-2017年,不斷環繞土星飛行的卡西尼號也127次近距離飛掠了土衛六,獲得了大量探測數據。 2005年,卡西尼號攜帶的惠更斯號著陸器更是穿過重重大氣,親身登上了土衛六表面,儘管只工作了一個多小時。

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(左)卡西尼探測器工作假想圖。來源:NASA;(右)惠更斯號假想圖。來源:ESA / C. Carreau

當然,在可見光波段合成的照片裡,土衛六隻是一團朦朧的橙色。如果你是個可憐弱小又無助的凡人,用沒有超能力加持的普通肉眼這麼近距離看土衛六,看到的也差不多是這個樣子。

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卡西尼號成像科學系統(ISS相機)紅、綠、藍波段合成的影像,近乎自然的肉眼觀看效果,可以看到土衛六的底層大氣是不透明的橙色,而高層大氣則是薄而透明的淺藍色。 (左)寬角相機拍攝於2007年1月28日,距離土衛六約19.6萬公里,PIA08879;(右)窄角相機拍攝於2005年12月26日,距離土衛六約2.6萬公里, PIA08351

紅外波段影像終於可以“穿透”朦朧的霾層,看到一些土衛六的細節了:中低緯度的暗區,高緯度的湖海,儘管是霧裡看花,但好歹是能看到了。

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卡西尼號的可見光與紅外相機(VIMS)拍攝的土衛六,合成假彩色圖像,藍色代表中心波長1.3微米、綠色代表2微米、紅色代表5微米。 (左)拍攝於2015年11月13日T-114次飛掠,PIA20016;(右)拍攝於2014年8月21日,T104次飛掠,PIA18432

但要想真正知道土衛六表面的地形地貌細節,還要靠雷達探測。這是卡西尼號獲取到土衛六表面細節的終極武器,也是這次Lopes及其同事們繪製土衛六的首幅全球地質圖最重要的數據基礎。

土衛六的首張全球地質圖 vs. 首張全球地圖

之所以要格外強調“地質圖”這幾個字,是因為事實上一個星球可以有多種形式的世界地圖,它們從不同角度表現了這個星球的全球分佈特徵。

例如,通過篩選某些波段的光,科學家們早在2016年就已經獲得了土衛六的全球反照率(也就是亮暗)地圖,並為土衛六上許多重要地貌命了名。

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卡西尼成像科學系統(ISS相機)選取了中心波長938納米波段製成的全球反照率地圖(全球分辨率大約在4公里/像素)及部分區域命名。來自2014年8月7日卡西尼號T100次飛掠土衛六獲取的影像。來源:PIA20713和PIA19657。

又例如,通過綜合雷達測高等多種數據,科學家們繪製了土衛六全球地形圖(4)。地形數據體現的是土衛六的表面相對於高程基準面的高低起伏。

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土衛六全球地形圖,參考面為土衛六海水面所在的大地水準面,全球分辨率1°×1° 。來源:(4)

而這次的全球地質圖,則是另一種形式的土衛六世界地圖。

地質圖是乾啥的?怎麼看?

簡單來說呢,地質圖的作用是表現不同類型的地貌在這個星球上的空間分佈和相對形成年代。當然,受限於觀測條件,行星、衛星地質圖的要求比地球地質圖低很多。在地球地質學家看來,行星、衛星地質圖連岩性都無法體現,只能勉強算是張有地質信息的地貌圖。

所以,首先要對土衛六上不同類型的地貌進行分類。

分類的參考依據可以有很多:影像、地形、光譜(成分)、交切關係、撞擊坑密度等等。但因為土衛六目前的高分辨率數據覆蓋率還很有限,所以還必須綜合一切可用的低分辨率數據……

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例如高分辨率合成孔徑雷達(SAR)數據覆蓋率只有46%。來源:NASA

這樣一“平均”下來,目前這全球地質圖就細緻不起來了,甚至可以說是還挺糙:

全球比例尺只有1:2000萬

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首張土衛六全球地質圖。編譯自:參考文獻(1)

只分出了6大地質單元

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首張土衛六全球地質圖分出的6大地質單元在合成孔徑雷達影像中的樣子,注意這裡的亮暗體現的是不同地貌對雷達信號的反射回波強度,並不是實際的顏色。編譯自:參考文獻(1)

撞擊坑、山地丘陵、平原和湖海是我們比較熟悉的地貌了,地球上就有挺多。只不過,土衛六的湖海裡流動的並不是地球上的液態水,而是液態的碳氫化合物(下面我們都用甲烷代表)。

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土衛六的湖河海,雷達偽彩色圖像。來源:NASA

而沙丘和溝網,尤其是溝網地貌,卻不是那麼常見的,得格外說一說。

土衛六上的沙丘有點兒像地球上的線性沙丘,主要以條狀平行延伸的形式出現,大多有1-2公里寬,80-130米高,數百公里長,間隔在1-4公里之間(5, 6)。

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(左)利比亞的線性沙丘(可見光影像)和(右)土衛六的線性沙丘(雷達影像)。來源:參考文獻(7)

土衛六上的溝網地貌則有點兒類似地球上的喀斯特溶蝕地貌,通常地勢相對較高,由一些明顯被切割和侵蝕的破碎地貌組成,可能是液態甲烷的河流切割、溶解和侵蝕造成了土衛六上這種形似“迷宮”一般的地貌。

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(左)土衛六上的溝網地貌(雷達影像);(右)爪哇島南部一處叫Gunung Kidul的地方發現的多邊形喀斯特地貌,是石灰岩被水溶解侵蝕的結果。來源:NASA(8)

那這幅地質圖告訴了我們什麼呢?

1 空間分佈

平原是土衛六上最主要的地貌,佔了土衛六表面積的65%;沙丘和山地丘陵也挺多的,分別佔了17%和14% ;湖海和溝網都只佔了1.5% ;可確認的撞擊坑數目少的驚人,只佔了總面積的0.4%(表明土衛六表面相當年輕活躍,所以才會抹去了大部分撞擊坑)。同時,土衛六的這些地質單元表現出了很強的緯度分佈:

沙丘主要集中在赤道地區;平原主要集中在中緯地區;湖海主要集中在北極;溝網主要集中在南極;山地丘陵在各個緯度上都有分佈。

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編譯自:參考文獻(1)

2 時間分佈

儘管土衛六上撞擊坑數目太少,無法通過撞擊坑密度來推測不同區域之間的相對年齡,但還是可以通過不同地貌之間的交切關係來做個大致判斷(也就是A覆蓋或切割了B地貌,說明A地貌更年輕):

各個緯度都有分佈的山丘最古老;其次古老的是聚集在南極的溝網;再次是主要分佈在中緯度的平原;位於赤道的沙丘和位於北極的湖海最年輕,但因為兩者的分佈沒有任何交切,所以判斷不了到底哪個更年輕。

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於是我們可以改進一下這張圖。改編自參考文獻(1)

3 成分分佈

平原、沙丘、湖海和溝網似乎富含有機物;撞擊坑和山地丘陵則有較高含量的水冰物質

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於是我們可以再改進一下這張圖。改編自參考文獻(1)

儘管這些發現略顯單薄,但依然給了我們許多推測土衛六地質活動和地質歷史的線索,但同時也為我們帶來了更多未知的謎團:

最古老、富水冰的山地丘陵或許是土衛六古老殼層的遺跡,構造活動造成的高海拔地勢讓這裡依然可以保存原始富水冰的古老殼層物質。富水冰的撞擊坑體現的是被撞擊挖掘出的地下深部物質,同樣表明被有機物覆蓋的表面之下,是富含水冰的古老殼層或者水冰+有機物混合的殼層。原本地勢稍高的溝網地貌則可能是先經過有機沉積物富集,後被降雨溶解侵蝕形成的。光譜數據顯示,平原的高低緯區域分別發現了和溝網、沙丘相似成分的物質,可能來自風的搬運。考慮到土衛六目前仍有風和降雨,最年輕的湖海和沙丘很可能至今仍在形成和變化中。從赤道的沙丘到極區的湖海,似乎表明土衛六的氣候是極區濕潤、赤道乾燥的。然而幾乎所有的湖海都富集在北極區域,又似乎表明有某種全球性的氣候循環使得土衛六隻有北極是濕潤的,南極仍然很乾燥。 (比如會不會是因為土星繞太陽的橢圓軌道導致土衛六的北半球有更長的夏天?(2))至於山地丘陵雖然各個緯度上都有分佈,但為什麼主要集中在赤道的上都區域(Xanadu:土衛六上最大的一塊亮區,得名於18世紀英國詩人柯勒律治(Samuel Taylor Coleridge)的詩中所描述的傳說中忽必烈的宮殿所在之處),這就還是未解之謎了。 ……雖然這些推測還有太多不確定性,但至少,這些線索告訴我們,如今的土衛六依然是一個地質和氣候活躍、充滿變化、複雜而迷人的星球。

若欲求知,唯有探索

卡西尼號積累了13年的數據,已經徹底刷新了我們對土衛六的認知。

如今的我們已經知道,重重面紗遮蓋之下的土衛六,其實是除了地球以外,目前已知的唯一一個表面有著液態甲烷的湖和海,有著甲烷的循環,會下甲烷雨,有著液態物質沖刷過的類似河道一樣的痕蹟的星球——總之就是把水換成甲烷的話,土衛六的表面和地球非常相似。

不止如此,土衛六還是目前太陽系中已知的可能擁有全球性的地下液態水海洋的星球之一,和土衛二、木衛二一樣,是最有可能孕育生命的熱點星球。

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卡西尼號拍攝的麗姬亞海(Ligeia Mare) 來源:NASA

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惠更斯號著陸器拍攝的土衛六表面的“河道”。來源:NASA

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土衛六的甲烷循環。來源:NASA

小天體撞擊、構造活動、河流和風的搬運侵蝕、降雨、湖海、甚至冰火山…這些地質和氣候作用,塑造瞭如今的土衛六。

然而,在遙遠的距離和厚厚大氣層的阻礙之下,如今的我們對土衛六的認識依然是粗糙的。

想要揭開更多土衛六的秘密,唯有繼續派出探測器使者,以更近的距離、更先進的探測手段,再次造訪這顆星球。

幸運的是,今年6月,名為“蜻蜓”(Dragonfly)的土衛六無人機探測方案力壓名為“凱撒”(CAESAR)的彗星67P採樣返回方案,當選NASA新一輪“新疆界”計劃。

蜻蜓號將於2026年發射,計劃於2034年抵達土衛六,站在巨人卡西尼號的肩膀上,進一步探索土衛六的表面和有機物,探索土衛六可能的生命痕跡。

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蜻蜓號工作假想圖。來源:NASA

相信到那時候,我們一定會對土衛六有更深入的了解。

下一個十年,去土衛六開無人機!

參考文獻:

(1)Lopes, RMC, Malaska, MJ, Schoenfeld, AM, Solomonidou, A., Birch, SPD, Florence, M., … & Turtle, EP (2019). A global geomorphologic map of Saturn's moon Titan. Nature Astronomy, 1-6.

(2)Nature | A whole new world: astronomers draw first global map of Titan.https://www.nature.com/articles/d41586-019-03539-8

(3)Lopes, R. M., & Solomonidou, A. (2014, November). Planetary geological processes. In AIP Conference Proceedings (Vol. 1632, No. 1, pp. 27-57). AIP.

(4)Corlies, P., Hayes, AG, Birch, SPD, Lorenz, R., Stiles, BW, Kirk, R., … & Iess, L. (2017). Titan's Topography and Shape at the End of the Cassini Mission. Geophysical Research Letters, 44 (23).

(5)Lorenz, RD, Wall, S., Radebaugh, J., Boubin, G., Reffet, E., Janssen, M., … & Lunine, J. (2006). The sand seas of Titan: Cassini RADAR observations of longitudinal dunes. Science, 312(5774), 724-727.

(6)Neish, C. D., Lorenz, R. D., Kirk, R. L., & Wye, L. C. (2010). Radarclinometry of the sand seas of Africa’s Namibia and Saturn’s moon Titan. Icarus, 208(1), 385-394.

(7)Radebaugh, J., Lorenz, R., Farr, T., Paillou, P., Savage, C., & Spencer, C. (2010). Linear dunes on Titan and earth: Initial remote sensing comparisons. Geomorphology , 121(1-2), 122-132.

(8)https://solarsystem.nasa.gov/resources/17397/a-titanic-labyrinth/

(9)https://www.nasa.gov/feature/jpl/the-first-global-geologic-map-of-titan-completed

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