研究发现天王星的卫星米兰达表面下可能有一片海洋
一项新研究表明天王星的卫星米兰达表面之下可能蕴藏着一个水海洋，这一发现将挑战有关该卫星历史和成分的许多假设，并可能使它成为太阳系中少数几个可能存在适宜生命生存环境的行星之一。“在像米兰达这样的小物体内部发现海洋存在的证据令人难以置信地惊讶，”马里兰州劳雷尔市约翰霍普金斯应用物理实验室（APL）的行星科学家、发表在《行星科学杂志》上的研究报告的共同作者汤姆诺德海姆说。
“它有助于说明天王星的一些卫星可能真的很有趣——在我们太阳系最遥远的行星之一周围可能存在几个海洋世界，这既令人兴奋又令人奇怪。”
在太阳系的众多卫星中，米兰达显得格外突出。旅行者二号在 1986 年拍摄的几张图像显示，米兰达的南半球（我们唯一看到的部分）是一个像弗兰肯斯坦一样杂乱无章的地形，被崎岖的悬崖和陨石坑分成四等份，就像被子上的方块一样。大多数研究人员怀疑这些奇异的结构是潮汐力和卫星内部加热的结果。
北达科他州立大学研究生卡莱布·斯特罗姆与诺德海姆和亚利桑那州行星科学研究所的亚历克斯·帕特霍夫合作，重新审视了旅行者 2 号的照片。该团队开始通过对表面特征进行逆向工程来解释米兰达神秘的地质状况，他们逆向研究以揭示卫星内部结构如何塑造了潮汐力对卫星地质的影响。
在首先绘制了裂缝、脊线和米兰达独特的梯形日冕等各种表面特征后，研究团队开发了一个计算机模型来测试卫星内部的几种可能结构，将预测的应力模式与实际表面地质情况进行匹配。
要使预测的应力模式与观测到的表面特征最吻合，就必须在 1 亿至 5 亿年前，米兰达冰面之下存在巨大的海洋。根据这项研究，这片地下海洋至少有 62 英里（100 公里）深，隐藏在厚度不超过 19 英里（30 公里）的冰壳之下。
鉴于米兰达的半径只有 146 英里（235 公里），海洋几乎占据了月球表面的一半。“这个结果让团队大吃一惊，”斯特罗姆说。
研究人员认为，形成海洋的关键是米兰达和附近卫星之间的潮汐力。这些有规律的引力牵引可以通过轨道共振放大——轨道共振是指每颗卫星围绕行星的周期正好是其他卫星周期的整数倍。
例如，木星的卫星木卫一和木卫二具有 2:1 的共振：木卫一每绕木星运行两次，木卫二就会绕木卫二运行一次，从而产生的潮汐力可以维持木卫二表面下的海洋。
这些轨道结构和由此产生的潮汐力使卫星像橡皮球一样变形，产生摩擦和热量，使内部保持温暖。这还会产生应力，使表面开裂，形成丰富的地质特征。数值模拟表明，米兰达及其邻近卫星过去可能存在这样的共振，这提供了一种潜在机制，可能使米兰达内部变暖，从而产生并维持地下海洋。
在某个时刻，两颗卫星的轨道不同步，减缓了加热过程，因此卫星内部开始冷却和凝固。但研究小组认为米兰达的内部还没有完全冻结。诺德海姆解释说，如果海洋完全冻结，它就会膨胀，并在表面造成某些明显的裂缝，但这些裂缝并不存在。
这表明米兰达仍在冷却——甚至现在其表面之下可能还有海洋。斯特罗姆指出，米兰达现在的海洋可能相对较薄。“但太阳系最遥远的卫星之一内部存在海洋的说法非常引人注目，”他说。
米兰达卫星原本没有海洋。由于其体积小、年龄大，科学家认为它很可能是一个冰冻的冰球。人们认为它形成时留下的任何热量早已消散。但正如帕特霍夫指出的那样，关于冰卫星的预测可能是错误的，土星的卫星土卫二就是明证。
在 2004 年卡西尼号飞船抵达之前，许多科学家认为土卫二是一个由冰和岩石组成的冰冻球体。但实际上，它拥有全球海洋和活跃的地质过程。“很少有科学家认为土卫二的地质活动会很活跃，”帕特霍夫说。“然而，就在我们说话的时候，它正从南半球向外喷射水蒸气和冰。”土卫二现在是寻找地球以外生命的首要目标。
米兰达可能是一个类似的案例。它的大小和成分与土卫二相当，根据 APL 的伊恩·科恩 (Ian Cohen) 领导的一项2023 年研究，它可能正在积极向太空释放物质。如果它有（甚至曾经有）海洋，它可能是未来研究宜居性和生命的目标。然而，诺德海姆警告说，我们对米兰达和天王星卫星的了解仍然太多，无法推测生命的存在。
“除非我们回去收集更多数据，否则我们无法确定它是否有海洋，”他说。“我们正在从旅行者 2 号的图像中榨取最后一点科学知识。目前，我们对这些可能性感到兴奋，并渴望回去深入研究天王星及其潜在的海洋卫星。”
揭示天王星冰卫星的秘密
自从旅行者 2 号于 1986 年短暂飞掠天王星并拍摄到令人惊叹的图像和宝贵数据以来，天王星的冰卫星就一直吸引着科学家的注意。这项最新研究由 Caleb Strom 和 APL 的 Tom Nordheim 领导，是 APL 为揭开这些神秘卫星及其所围绕的不寻常行星的秘密而开展的更广泛努力的一部分：
2023 年：由 APL 的 Ian Cohen 领导的团队重新分析了航海者 2 号飞越时的粒子和磁场数据，发现天王星的卫星 Ariel 和 Miranda 可能都在向天王星周围的太空环境中释放物质，可能是通过羽流的方式。
2024 年：APL 的理查德·卡特赖特利用美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜对天王星卫星 Ariel 的观测结果得出结论，该卫星可能拥有一个地下海洋，可以补充其表面的二氧化碳冰沉积物——这是他在最近召开的美国天文学会会议上提出的主题。
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