Astronomy 版 (精华区)

发信人: reise (旅行), 信区: Astronomy
标  题: 暗淡蓝点·七、在土星的众多卫星之间　　
发信站: 哈工大紫丁香 (2003年06月14日12:54:32 星期六), 站内信件


　 你让自己像君主一样端坐在土星的卫星之间。 
　　　　　--梅尔维尔《白鲸》第107章(1851) 

　　有这样一个星体，它的大小介于月球与火星之间，它的上层空气带电，并起伏
波动--空气是从邻近的典型的带环行星流进来的，行星上永恒的褐色多云天空带有
一种奇特的赭橘色，而真正的生命物质从天空掉到下边未知的表面上。这个星体太
遥远了，从太阳发出的光要经过一个多小时才能射到它上面。至于航天器就要好些
年了。它在许多方面都还是个谜--包括它是否拥有大海。然而我们所了解的情况恰
足以说明，在离它的一个够得着地方可能有某些变化过程目前还在进行，而早在洪
荒时代它们已经在地球上出现过了。正是这些过程导致生命的起源。 

　　在我们的星球上有一个持久的--在某些方面来说是十分成功的--物质演化的实
验在进行。已知最古老化石的年龄大约有36亿年。当然，早在这以前很久生命就开
始出现了。但是在42亿或43亿年以前，地球还在遭受它形成过程最后阶段的折磨，
那时生命还不可能存在。剧烈的碰撞使表面熔化，把海洋化为蒸汽．并且把最后撞
击以来聚积的大气驱赶到太空中去。因此大约在40亿年前有一个相当短暂的时间之
窗--大约只有1亿年--我们的最远代祖先开始出现了。一旦情况许可，生命就很快
地滋长起来。它以某种方式成长。 

　　最早的生物很可能是笨拙的，远逊于今天还活着的最低级微生物--也许只能勉
强为自己制作粗糙的复制品。但是首先由达尔文有条有理描述过的自然选择这一重
要过程，是一个威力巨大的工具。它把最幼稚的生物体演变成为千姿百态和美丽多
彩的生物世界。 

　　在一个无生命的地球上，受物理与化学规律驱使而自然产生的若干碎片、成分
和基本单元，形成了最早的生物体。地球上一切生命的基本单元叫做有机分子，即
以碳为主要成分的分子。在多得不可胜数的可能存在的有机分子中，只有极少数与
生命有关系。最重要的有两类，即氨基酸(它是蛋白质的构成单元)和核苷酸(这是
细胞核酸的构成单元)。 

　　但是，就在生命出现之前，这些分子从何而来呢?只有两个可能性：来自地球
之外或地球内部。我们知道，比现在多得多的彗星和小行星曾经撞击过地球。这些
小天体是复杂有机分子的丰富宝库，而在碰撞时有些这样的分子幸存下来了。现在
我要谈的不是外来的，而是在地球上自生的有机体，即在原始地球的大气与水域中
产生的有机分子。 

　　不幸的是，我们对早期大气的成分了解不太多，而在某些大气中有机分子远比
在其他大气中更容易形成。早期大气不可能有大量的氧，这是因为氧是由绿色植物
产生，而那时还没有任何绿色植物。很可能以前氢要多一些，因为氢在宇宙中含量
极丰，并且氢比其他任何原子都更容易从地球高层大气逃逸到太空中去(由于氢很
轻)。如果我们能够设想出若干种可能的早期大气，就可以在实验室里复制，输入
一些能量，看看会产生哪些有机分子，以及有多少。近年来这类实验是饶有趣味的
和大有指望的。但是我们对原始大气的情况一无所知，很难找到它们之间的关系。
 

　　我们所需要的是一个真实的星体，它的大气仍然保存那样丰富的氢，在其他方
面它要与地球甚为相似，现在它还大量产生构成生命的有机物，通过它我们可以找
到自己的起源。在太阳系里只有一个这样的星体①，就是土星的大卫星土卫六。它
的直径约为5 　　150千米(3 200英里)，比地球的一半略小一点。它绕土星运转一
周需要16个地球日。

 　　没有哪个星球会与任何其他星球一模一样。土卫六至少有一个重要方面与原
始地球大不相同：它离太阳太远，表面极为寒冷，约为摄氏零下180°，远低于水
的冰点。当生命出现时的地球和现在一样，表面上主要是海洋，但在土卫六上面根
本不可能有液态水构成的海洋(我们以后会谈到，由别的物质形成的海洋埂是另外
一回事了)。然而低温也是有利的，这是因为分子一旦在土卫六上合成，它们往往
便固定不变。温度越高，分子分离就越快。在过去40亿年间，分子像雨点一般落在
土卫六上，有如从天而降的吗哪(manna)㈠，它们可能还在那里，大部分没有变化
，处于深冻状态，等待着地球上的化学家去研究。 

　　在17世纪，由于望远镜的发明，许多新天体被发现了。 1610年，伽利略首次
观察到木星的4个大卫星。这就像是一个小型的太阳系，小月亮们绕着木星旋转，
犹如哥白尼所设想的行星绕着太阳旋转一样。这对地球中心主义者是又一次打击。
45年后，著名的荷兰物理学家惠更斯(Christianus 　　Huy- gens)发现了有一个
卫星在绕土星运动，并给它取名为泰坦(Titan)㈡②。它是15亿千米{约10亿英里)
以外的一个光点，因反射太阳光而微弱可见。从发现它之时起(那时欧洲男人披着
长长的卷发)，到第二次世界大战期间(这时美国男人流行短发)，除掉知道它有一
种奇特的黄褐色外，对这颗卫星几乎没有任何新的发现。甚至从原理上来说，地面
望远镜几乎不可能认清它的神秘面目。在20世纪初期，西班牙天文学家索拉(J·
Comas 　　Solá)报告说，有微弱和间接的证据表明它有大气。 　　在某种意义
上说，我的成长与土卫六有关。我在芝加哥大学在柯伊伯(Gerard P·Kuiper)指导
下撰写博士论文，而这位天文学家明确地发现土卫六有大气。柯伊伯是荷兰人，因
此可以说他是惠更斯在学术上的嫡系传人。1944年，柯伊伯在对土卫六作光谱观测
时，惊奇地发现它有甲烷气体的光谱特征。当他把望远镜指向土卫六时，甲烷的特
征出现③；把望远镜移开，这种特征就一点也没有了。但是不能认为卫星有相当可
观的大气，地球的卫星，月球就肯定没有大气。柯伊伯认为，虽然土卫六的重力比
地球小，但它还是能保留大气，这是因为它的高层大气非常冷，这样一来，分子运
动不够快，不会有大量分子达到逃逸速度并向太空散失。 

　　柯伊伯的一个学生丹尼尔·哈里斯(Daniel Harris)断定土卫六是红的。也许
我们看见的是一个火星那样的铁锈色的表面。如果你想更多地了解土卫六，不妨测
量它所反射的太阳光的偏振。一般的太阳光是非偏振的。现在我在康内尔大学的同
事韦韦尔卡(Joseph 　　Veverka)，是以前我在哈佛大学的研究生，因此也可以说
是柯伊伯的徒孙。韦韦尔卡在他于1970年前后完成的博士论文中，测量了土卫六的
偏振，并发现它随土卫六与太阳、地球的相对位置而变化。但是这种变化与其他星
体(例如月球)所显示的偏振变化大不一样。韦韦尔卡的结论是，这种变化的特征与
土卫六上面有范围很大的云或雾相符。在我们用望远镜观察土卫六的时候，看不见
它的表面。我们对它表面的情况一无所知，根本不知道它的表面离云层有多远。 


　　因此，在20世纪70年代初期，可以认为从惠更斯开始的学术传人的一项成就，
就是我们至少知道了土卫六拥有一个甲烷含量丰富的稠密大气，此外它大概是被一
层淡红色隆云笼罩着或被气雾所包围。但是什么样的云会是红色的呢?在 　　70年
代初，我的同事哈尔(Bishun Khare)和我在康内尔做了一些实验。我们用紫外光或
电子使各种甲烷含量丰富的气体发光，并产生红色或褐色的固体；这些物质沾在我
们做反应试验的玻璃器皿的内表。我认为，如果富含甲烷的土卫六大气有红褐色的
云，这些云会很像我们在实验室里做出来的东西。我们用"泥土"的希腊词，把这种
物质称为"索林"{tholin)。起先我们对它的成分了解得很少。它是由我们原有的分
子分裂而得出的有机混合物，是由碳、氢、氮原子和分子碎片重新组合产生的。 


　　"有机"这个词在生物学方面并没有特殊的含义。它在化学上使用了长达一个多
世纪，指的仅是由碳原子构成的分子 (除掉少数诸如一氧化碳和二氧化碳这样很简
单的分子)。因为地球上的生命以有机分子为基础，并且因为过了一段时间之后地
球上才有生命，所以在第一个有机体出现前，在我们地球上必定有某种制造有机分
子的过程。我认为类似的过程今天也许正在土卫六上发生。

 　　在我们对土卫六的认识中，具有划时代意义的事件是"旅行者"1号和2号分别
于1980年和1981年到达土星系统。 

　　"旅行者"的紫外、红外与无线电仪器测量出了土卫六大气--从隐而不见的表面
到太空边缘--的压力和温度。我们弄清楚了到云层顶部有多高。我们发现土卫六的
空气和今天的地球一样，主要由氮组成。正如柯伊伯发现的，另一个重要成分是甲
烷，就是以碳为基础的有机分子在那里产生的起始物质。 

　　还找到了一些呈气态的简单分子，主要是碳氢化合物和睛。它们中间最复杂的
有4个"重"（碳和／或氮)原子。碳氢化合物是仅由碳与氢原子组成的分子，对此我
们熟悉的有天然气、石油和蜡。{它们与糖及淀粉之类的碳水化合物完全不同，碳
水化合物含有氧原子。)腈是一个碳原子和一个氮原子用某种特殊方式结合而成的
分子。最著名的腈是HCN，即氰化氢。它是一种致人于死命的气体。但是氰化氢参
与了地球上形成生命的过程。 

　　在土卫六的高层大气中找到了这些简单的有机分子--即使只有百万分之一或十
亿分之一--是发人深省的。原始地球的大气会与此相似吗?土卫六的大气约为现今
地球大气的10倍，而早期地球也可能有过比现在更稠密的大气。 

　　除此而外，"旅行者号"在土星周围还发现由行星磁场所俘获的高能电子与质子
形成的一个大区域。土卫六绕土星运转时，在这个磁层中穿进穿出。电子束(加上
太阳的紫外光)射到土卫六的高层大气中，正像原始地球的大气拦截带电粒子(加上
太阳的紫外光)那样。 

　　因此，用紫外光和电子在很低的压力下照射氮与甲烷的特定混合物，并找出由
此形成的更为复杂的分子，这就是一个自然而然的想法了。我们能否模拟出正在土
卫六高层大气中进行的过程?在康内尔大学我们的实验室里，我和我的同事汤普森
(一位关键人物)一起，复制出土卫六上产生的一些有机气体。土卫六上最简单的碳
氢化合物是由太阳的紫外光产生的。但是一切其他的在实验室里最容易用电子做成
的气体产品，都与"旅行者号"在土卫六上所发现的相对应，并且成分相同。二者呈
一一对应。我们在实验室找到的次丰气体，将在对土卫六以后的研究中设法寻找。
我们造出的最复杂的有机气体拥有6至7个碳原子和／或氮原子。这些分子成品可以
形成索林。 

　　在"旅行者1号"接近土卫六时，我们曾经希望天气能转好。从远处看去，土卫
六像一个小圆盘；在靠得最近时，我们的照相机视场只能看到它的一个小区域。如
果雾和云有一个裂口--即使只有几千米大--在我们扫描圆面时就会看到一部分隐蔽
的表面。可是缺口连一点踪迹也没有。这个世界被封闭了。地球上没有人知道土卫
六的表面有什么东西。如果在那里有一个观测者，他在普通可见光的波段内抬头仰
望，根本看不见云层之上的壮观景象，也看不到土星和它的宏伟光环。 

　　通过"旅行者"、在绕地轨道上的"国际紫外探险者"以及地面望远镜的测量，我
们对掩盖土卫六表面的橙褐色雾粒子已经了解得相当多了：它们吸收的是哪些颜色
的光；它们容许大量通过的是哪些颜色的光；它们使通过的光线偏转了多少；以及
它们有多大。(它们大部分和香烟喷雾中的粒子一样大。)"光学性质"当然和雾粒子
的成分有关。 

　　哈尔和我与美国田纳西州橡树岭国家实验室的荒川(Ed- ward Arakawa)合作，
测量了土卫六索林的光学性质。我们发现原来它与真正的土卫六雾极为相似。没有
其他的待选物质 　　(无论是矿物的，还是有机的)能与土卫六的光学性质相符。
因此我们可以明确地宣称已经弄清楚了土卫六雾的底细--在土卫六大气的高层形成
，缓慢地坠落，并在它的表面大量积聚。这种物质是什么东西组成的呢? 

　　要想知道一种复杂有机固体的确切成分是非常困难的。举例来说，虽然长时期
以来有经济上的需要，但对煤的化学组成至今还没完全弄清楚。但是我们对土卫六
的索林已经有所了解。它含有地球上生命的许多重要组成材料。的确，如果你把土
卫六的索林滴入水中，就会形成大量的氨基酸、蛋白质的基本成分和核苷酸盐基，
以及脱氧核糖核酸(DNA)与核糖核酸(RNA)的组成材料。这样形成的氨基酸，在地球
上的生物体内分布很广。其他的属于完全不同的种类。此外还有一大批其他的有机
分子，它们有些与生命有关，有些则无关。在过去40亿年中，极其大量的有机分子
从大气沉积到土卫六的表面上。如果在以往的漫长岁月中，它们都处于深冻和不变
的状态，那么积累的物质至少应该有几十米(100英尺)厚，最高的估计为1千米厚。
 

　　但是你也许会认为，在水的冰点之下180℃时，氨基酸决不会形成。把索林滴
入水中可能对早期地球有重大作用的，但对土卫六似乎不同。然而彗星和小行星偶
尔会撞击到土卫六的表面。(土星的其他近距卫星上面有大量撞击坑，而土卫六的
大气并没有厚到足以阻止巨大的、高速的物体落到它的表面。)虽然我们从来投有
看见过土卫六的表面，可是行星科学家们却对它的成分有所了解。土卫六的平均密
度是在冰和岩石的密度之间，大概会两者兼而有之。在邻近的星体上冰与岩石都很
丰富，而有的几乎纯粹由冰形成。如果土卫六的表面是冰，一次高速的彗星碰撞便
会使冰暂时融化。汤普森和我估计，土卫六表面上的任何一处，都有50％以上的机
会曾经一度融化过，而这种碰撞融化和泥浆平均几乎要保持 　　1 000年。 　　
这样就形成一种大不相同的经历。地球上的生命大概是在海洋或潮汐浅塘里出现的
。地球上的生命主要由水形成，水在物理和化学两方面都起了重大作用。的确，我
们这些迷恋着水的生物难以想象出没有水的生命。如果在我们地球上生命的起源经
历了不到1亿年，是否可能这在土卫六上只要 　　1 000年呢?有了搀和到液态水中
的索林，甚至只要1 000年，土卫六的表面可能就会向生命起源以比我们想象的要
大得多的步伐演进。 

　　在我参加了一次在法国图卢兹举行的，由欧洲空间局主办的关于土卫六学术讨
论会后回家时，不禁这样想：尽管有了这些认识，我们对土卫六的了解仍然是少得
可怜。虽然在土卫六上不可能有液态水的海洋，但液态碳氢化合物的海洋就是另一
回事了。在土卫六表面之上的低空，估计有甲烷的云，而甲烷是最多的碳氢化合物
。次多的碳氢化合物乙烷(C2H6)应当像地面附近水蒸气变成液体那样，在土卫六表
面凝聚出来。(地面温度一般是在冰点与融点之间。)在土卫六存在期间，应当已经
聚积出液态碳氢化合物的浩瀚海洋，它们可能远在雾与云之下。但是，这并不意味
着它们对我们来说是完全无法达到的--这是因为无线电波容易穿透土卫六的大气以
及悬浮在它里面的、缓慢下落的细小粒子。 

　　在图卢兹，加利福尼亚理工学院的米勒曼(Duane O·Muh- leman)向我们讲述
了一个技术上非常困难的重大成果：用加州莫哈韦沙漠的射电望远镜，将一组无线
电脉冲射向土卫六，穿过它的雾和云直达它的表面，然后反射到太空，并返回地球
。为此，在新墨西哥州索科罗附近的一个射电望远镜阵接收到了大为减弱了的信号
。这真了不起!如果土卫六有一个由岩石或冰覆盖着的表面，那么由它反射的雷达
脉冲，在地球上应当能够检测到。但是，假如是碳氢化合物海洋掩盖着土卫六，米
勒曼就什么也看不到：液态碳氢化合物对这些无线电波的吸收很强，于是就不会有
回波返回地球。事实上，当土卫六的某些经度区转向地球时，米勒曼的庞大雷达系
统就接收到反射电波，但是并非所有的经度区都是这样。不错，你可以说土卫六既
有海洋也有大陆，而把信号反射回地球的是大陆。但是如果在这方面土卫六与地球
相似--对某些子午线(例如通过欧洲到非洲的)主要是陆地，而对另一些子午线(如
通过太平洋中部的)则基本上是大海，那么我们必定碰到另外一个问题： 

　　土卫六绕土星运转的轨道并不是一个正圆。它显然是扁的，或者说呈椭圆形。
然而，如果土卫六拥有广阔的海洋，那么，它绕之旋转的巨行星土星就会在土卫六
上引起显著的潮汐，由此产生的潮汐摩擦，定会使土卫六的轨道在远短于大阳系年
龄的时期内变成圆形。德莫特(Stanley 　　Dermont，目前在佛罗里达大学)和我
在1982年发表的一篇题为"土卫六海洋的潮汐"的学术论文中论证道，由于这个原因
，土卫六要么是一个全部是海晦，要么是一个完全为陆地的世界。如果不是这样，
在浅海地区潮汐的摩擦就会起到作用。湖泊和岛屿虽可以存在，但是别的就没有了
，于是土卫六的轨道就会和我们现在看到的大不一样。 

　　这样一来，我们就有三种学术论点：一个认为这个世界几乎完全被碳氢化合物
的海洋所覆盖；另一个主张它是大陆与海洋兼而有之；第三个要求我们选择，土卫
六是辽阔的海洋，或者全是陆地。要知道答案会是什么，这是一件很有趣的事。 


　　我上面讲述的是一种科学进展报告。明天可能会有新的发现，使这些谜团和矛
盾全部澄清。也许米勒曼的雷达探测结果有某个差错，但很难查出错在哪里：他的
仪器测到土卫六的时候，正是土卫六最靠近的时候，也是他应该看见土卫六的时候
。也许德英特和我所做的潮汐对土卫六轨道演化作用的计算有某处出错，可是至今
还没有人能发现任何错误。此外，难以解释在土卫六表面的乙烷怎么能够免于凝固
。尽管温度很低，也许几十亿年来仍有某种化学变化；也许从天而降的彗星撞击与
火山或其他大地结构变化结合起来，加上宇宙射线的作用，可以使液态碳氢化合物
凝结，并变成某种能把无线电波反射回太空的复杂有机固体。或者也许反射无线电
波的有机物只是浮在海的表面。可是液态的碳氢化合物的密度很小，因此每一种已
知的有机固体，除非是泡沫极多的，都会像一块石头那样沉入土卫六的海洋。 

　 　　现在德莫特和我在怀疑，当我们设想土卫六上面有大陆与海洋时，我们是
否过分拘泥于我们在自己星球上得到的经验，我们的思考是否太地球沙文主义了。
土星系统中其他卫星的表面尽是破损的、坑凹的地带，还有大量的撞击坑。如果我
们想象液态碳氢化合物在一个这样的星球上缓慢地聚积起来，于是出现的不是布满
全球的海洋，而是互相隔离的并没有完全装满液态碳氢化合物的大塘。许多圆形的
石油海，有的直径超过160千米(100英里)，坑坑洼洼地分布在卫星的表面。但是远
处的土星不会激起可以察觉的波浪；并且惯常会想到，那里没有船，没有游泳者，
没有玩冲浪的人，也没有人钓鱼。按我们的计算，在这种情况下潮汐摩擦可以忽略
不计，因而土卫六的拉长的椭圆轨道不会变成圆形。在开始得到表面的雷达或近红
外图象之前，我们不能了解确切的情况。但是可以认为，我们目前遇到的难题的答
案大概是：土卫六拥有许多碳氢化合物的圆形大湖泊，在有些经度多一些，有些经
度少一些。 

　 　　我们是否应当指望有一个覆盖着深厚索林沉积物的冰冻表面；一个碳氢化
合物海洋，它各处有一些盖满有机物的岛屿；一个布满坑状湖泊的世界；或者还有
什么我们想不到的更微妙的东西?这不只是一个学术问题，因为一个正在设计中的
太空飞船将要飞往土卫六。如果一切顺利，一个由美国国家宇航局和欧洲空间局联
合研制的，名为"卡西尼"的航天器将于1997年10月发射。这艘飞船将两次飞经金星
，一次飞经地球和一次飞经木星，以便取得引力加速；在航行7年后它将进入环绕
土星的轨道。飞船每一次到达土卫六附近时，将用包括雷达在内的一整套仪器来考
察这颗卫星。因为"卡西尼"离土卫六会近得多，它能够分辨出土卫六表面上用米勒
曼的地面仪表(这是土卫六探测的先驱)无法察觉的许多细节。表面情况还可以用近
红外光察看。在2004年夏天的某个时候，我们手里可能就会有土卫六隐而不见的表
面图。 

　　"卡西尼"还携带一个进入土卫六大气的探测器，它的名字很适当，叫"惠更斯"，
它将与航天器的主体分离，并垂直降落到土卫六的大气中。一个大降落伞会打
开，仪器包会穿过有机物形成的雾和甲烷云层，缓慢地坠入低层大气。它在降落时
将考察有机化合物。如果在着陆时没有坠毁，它还将考察这个星体的表面。 

　　一切都无法担保。但是飞行任务在技术上是可行的，硬件正在制作。一批志同
道合的、令人难忘的专家(包括许多年轻的欧洲科学家)正在埋头苦干，并且有关各
国似乎都很认真对待这个项目。它大概会实现。或许在不太遥远的将来，穿越16亿
千米(10亿英里)的行星际空间，仪器将会传来土卫六在拥有生命的道路上已经走了
多远的信息。 

　 　㈠基督教{圣经》中所说的古以色列人经过旷野时获得的神赐食物。--译者 
   　㈡按后来的编号，这颗卫星即土卫六。--译者第八章

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