[비즈한국] 在我們太陽系中，有多少顆行星表面擁有液態湖泊和海洋？只有地球嗎？並非如此，還有一個。那就是環繞土星執行的土星最大衛星——土衛六（Titan）。土衛六和土星一樣，表面被厚厚的雲層遮蔽，因此雲層下究竟隱藏著什麼樣的世界，長期以來一直是個謎。
2007年，卡西尼號探測器在經過土星和土衛六時，透過雷達觀測確認了雲層下隱藏的真實世界。令人驚訝的是，土衛六表面有著像地球一樣大大小小的液態湖泊和海洋。當然，由於距離太陽非常遙遠，土衛六的氣溫遠低於地球，表面平均氣溫低至零下179度。這是一種足以讓水完全凍結的極度嚴寒，因此土衛六湖泊和海洋中充滿的液體並不是水，而是乙烷和甲烷等碳氫化合物。有趣的是，由於這裡實在太冷，堅硬的冰塊在土衛六上扮演著類似於地球上岩石的角色。
當時，卡西尼號主要繪製了土衛六北極地區周圍的地圖。在土衛六表面已確認的湖泊中，最大的一個面積竟然達到了50萬平方公里，比地球上最大的內陸海里海還要遼闊。這個巨大的湖泊以傳說中的海怪“克拉肯”（Kraken）命名。
如果土衛六上存在如此巨大的湖泊和海洋，一個自然而然的問題便產生了：土衛六的湖泊和海洋裡也會像地球一樣有波浪嗎？那些波浪會造成改變土衛六地形的風化侵蝕嗎？在不久的將來，訪問土衛六的人類能在那裡的甲烷海洋中衝浪嗎？
直到不久前，土衛六湖泊和海洋中是否存在波浪仍是激烈的爭論焦點之一。在卡西尼號拍攝的上述照片中，可以看到土衛六表面有一點非常明亮的光斑。這是太陽光照射到土衛六液態湖面併發生反射的瞬間！當時反射陽光的湖泊是位於巨大克拉肯海西側邊緣的一個小湖，名為“京泊湖”（Jingpo Lacus），直接沿用了中國京泊湖的名字。基於這些觀測，過去天文學家曾推測土衛六的湖面應該像鏡子一樣平滑，並猜測與地球的湖泊不同，那裡不會有巨大的波浪起伏。
迄今為止，卡西尼號是唯一近距離、最詳細觀測土星和土衛六的探測任務。而且，卡西尼號於2017年9月15日衝入土星濃厚的雲層中，結束了任務。卡西尼號觀測到的土衛六影象是人類迄今獲得的所有最詳盡的土衛六觀測資料。僅憑卡西尼號模糊的相機拍攝的影象來驗證其表面湖泊是否真的存在波浪，意義並不大。
那麼，該如何確認土衛六的湖泊中是否有波浪呢？在本次研究中，天文學家們關注了一個不同的地方：不是湖面本身，而是湖岸的形態。
地球海岸線和湖岸會因波浪的沖刷而經歷風化侵蝕，地形隨之改變。如果土衛六的湖泊中也在不斷產生巨大的波浪，那麼在波浪作用下，土衛六的湖岸形態也可能發生變化。
天文學家為了再現之前透過卡西尼探測確認的克拉肯海（Kraken Mare）和麗姬亞海（Ligeia Mare）邊緣的形態，設定了三種模型。第一種是沒有任何風化侵蝕的模型；第二種是水滲入土衛六冰層表面，在整個湖岸以恆定速度均勻侵蝕的模型；第三種是波浪在湖岸各處拍打，以物理方式導致湖岸不規則侵蝕的模型。他們比較了這三種模型中哪一個最能真實再現土衛六湖岸的形態。
特別是將後兩種（侵蝕方式不同的模型）結果進行對比時，可以發現有趣的差異。如果假設原本形狀凹凸不平的土衛六湖岸在各處發生均勻侵蝕，那麼無論位置如何，幾乎所有區域都會被均勻且平滑地磨平。只是陸地凸入湖中的岬角部分不太會大幅磨損，傾向於保持原有形狀。
而在假設波浪拍打導致湖岸直接磨損的模型中，則出現了明顯的差異。陸地深入湖中的寬闊邊緣處，因波浪帶來的液體流入量大，所以湖岸被更明顯地磨平。相反，像細長河道般深處內陸的區域，波浪帶來的液體流入量不大，因此這些區域的邊緣不會被顯著磨平，長期保持原樣。結果就是，寬闊的湖岸邊緣變得平滑，而中間四處延伸的細長河道邊緣則保持了最初尖銳複雜的形態。因此，土衛六的湖泊看起來就像向四面八方伸出細長觸角的“義大利麵怪物”。
有趣的是，與在土衛六表面實際確認的多個湖泊外觀進行比對後發現，假設有波浪的模型最能精準重現觀測結果。透過對土衛六湖岸的分析，天文學家為土衛六湖泊中存在巨大波浪提供了間接證據。
透過這一發現可以推測，即使土衛六湖泊中的主要成分不是液態水，而是完全不同的甲烷，那裡也像地球一樣存在風，並因風的作用導致湖面起伏產生波浪。也就是說，對於“如果地球之外的其他天體表面存在液態海洋和湖泊，那裡是否也會發生與地球海洋湖泊類似的現象”這一古老疑問，我們現在能夠給出更明確的回答。
波浪的存在是推測土衛六湖泊生態的重要依據。波浪在物理上起到了一種作用，使湖泊和海洋表面的物質與深層的物質能夠更好地混合。正如本次分析所利用的那樣，它透過引起改變湖岸和海岸地形的侵蝕作用，為更多樣的生態系統在不同環境下生存創造了地質學契機。此外，這一過程還有助於沉澱在土衛六大陸上的化學成分在波浪拍打下重新碎裂並溶解到湖海中。換句話說，波浪是讓周邊的生態“雞尾酒”變得更加豐富多彩的混合過程。
如果我們坐在土衛六的湖邊看風景，會看到厚重的甲烷雲層下起伏的波浪。還能看到那些波浪撞擊湖岸懸崖，使岩石和冰塊一點點剝落的情景。原本以為只是環繞土星的眾多小衛星之一的土衛六，其實是一個展現著不亞於地球、充滿美麗且複雜地質歷史的舞臺。
卡西尼號的任務不僅是近距離飛掠，還進行了將著陸器分離並投向土衛六雲層的探測。從卡西尼號分離的惠更斯號（Huygens）著陸器，成功降落在了人類歷史上第一顆非行星、而是衛星的表面。衝破濃厚雲層平安著陸的惠更斯號，揭開了隱藏的土衛六表面的真面目。
透過惠更斯號著陸直接觀測到的土衛六表面令人驚歎。土衛六大氣層和充滿湖泊的甲烷，成為了人們對土衛六存在外星生命可能性寄予厚望的依據。過高濃度的甲烷對地球生命來說可能是劇毒，但另一方面，甲烷也是地球生命活動留下的主要副產品。也許，充斥在土衛六上的甲烷，正是那些可能躲藏在那裡生存的外星生命的“撥出氣體”痕跡。
天文學家期待土衛六也像木星和土星周圍的冰衛星——木衛二或土衛二一樣，在堅冰表面下隱藏著由液態水構成的更巨大的海洋。根據對土衛六密度的分析結果，其內部很有可能存在佔總體積約40-60%的巨大地下海洋。如果這一推測屬實，那麼這顆小小的土衛六所蘊含的液態海洋總量，可能比地球表面海洋的總量還要多6倍。從天體生物學角度來看，土衛六是一個必須訪問、令人嚮往的地方。
隨著環繞土星的唯一探測器卡西尼號任務的終結，目前土星周圍空無一物。土星探測史暫時畫上了休止符。天文學家們正在籌備深入探索土星和土衛六的新任務。卡西尼號攜帶的惠更斯號著陸器僅僅是在土衛六雲層中展開降落傘緩慢落下後就結束了。因為它沒有配備車輪等裝置，與其說是著陸，實際上更接近於“墜落”。它被留在墜落位置，只能勉強觀察周邊的一小片區域。
但是，計劃於2030年左右發射的下一代土衛六任務——“蜻蜓號”（Dragonfly）任務則有些特別。這是一個透過發射帶有螺旋槳的無人機，穿梭於土衛六各處直接勘查湖泊和天空的任務。透過此前的火星“毅力號”探測任務，天文學家已經成功在地球之外的其他天體上實現了無人機飛行！以此為契機，現在人們夢想著派遣像蜻蜓一樣在土衛六天空中飛行的無人機。
仔細想來，在土衛六上飛行甚至比在火星上飛行更容易。火星大氣稀薄，大氣壓只有地球的百分之一，因此即使旋轉螺旋槳也很難獲得足夠的升力。相比之下，土衛六被濃厚的大氣層覆蓋，因此比在火星上更容易獲得升力來飛行。不久的將來，如果蜻蜓號任務成功，我們將能夠真正親眼目睹土衛六湖泊中起伏的波浪。
參考
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adn4192
作者Ji Woong-bae簡介：熱愛貓咪和宇宙。兒時在看過《銀河鐵道999》後，立下了向世人宣傳宇宙之美的夢想。目前在延世大學銀河演化研究中心及近宇宙論實驗室研究透過星系相互作用產生的演化，並從事講座和寫作等多種科學傳播活動。著有《與宇宙談戀愛》、《整天想著宇宙》、《星，光之科學》等書籍。