韦伯望远镜发现天王星卫星阿里尔上的碳氧化物暗示存在隐藏的海洋

天王星的卫星 Ariel 的表面覆盖着大量的二氧化碳冰，尤其是在其“尾半球”，该半球始终背对着卫星的轨道运动方向。这一事实令人惊讶，因为即使在天王星系统的寒冷地区(距离太阳比地球远 20 倍)，二氧化碳也很容易变成气体并散失到太空中。

科学家推测有某种东西正在向天王星表面输送二氧化碳。一些人支持这样一种观点，即天王星表面与天王星磁层带电粒子之间的相互作用通过一种称为辐射分解的过程产生了二氧化碳，在这个过程中，分子被电离辐射分解。

但是7 月 24 日发表在《天体物理学杂志快报》上的一项新研究却支持另一种理论：二氧化碳和其他分子是从 Ariel 内部涌现出来的，甚至可能是来自地下的液态海洋。

利用美国国家航空航天局的詹姆斯·韦伯太空望远镜收集卫星的化学光谱，然后将其与实验室中模拟化学混合物的光谱进行比较，由马里兰州劳雷尔市约翰霍普金斯应用物理实验室 (APL) 的理查德·卡特赖特领导的研究小组发现，艾里尔拥有太阳系中二氧化碳含量最丰富的沉积物，在卫星后半球累计厚度估计达 10 毫米(0.4 英寸)或更多。

在这些沉积物中还有另一个令人费解的发现：一氧化碳的第一个清晰信号。

“它不应该在那里。你必须降到 30 开尔文 [零下 405 华氏度] 才能使一氧化碳稳定下来，”卡特赖特说。与此同时，阿里尔的表面温度平均高出 65 华氏度。“毫无疑问，必须积极补充一氧化碳。”

他补充说，辐射分解仍可能是部分补充的原因。实验室实验表明，对混有富碳物质的水冰进行辐射轰击可以产生二氧化碳和一氧化碳。因此，辐射分解可以提供补充来源，并解释 Ariel 后半球这两种分子的丰富程度。

但关于天王星磁层及其与卫星相互作用的程度仍有许多疑问。甚至在近 40 年前旅行者 2 号飞越天王星时，科学家就怀疑这种相互作用可能有限，因为天王星的磁场轴与其卫星的轨道平面相互偏移约 58 度。最近的模型支持了这一预测。

相反，大部分碳氧化物可能来自卫星阿里尔冰冷表面下水海洋中发生(或仍在发生)的化学过程，这些化学过程要么通过卫星冰冷外部的裂缝逸出，要么甚至可能通过喷发羽流逸出。

此外，新的光谱观测暗示阿里尔小行星的表面可能还含有碳酸盐矿物，这种盐只有通过液态水与岩石相互作用才能形成。

“如果我们对碳酸盐特征的解释是正确的，那么这是一个相当重要的结果，因为这意味着它必须在内部形成，”卡特赖特说。“这是我们绝对需要证实的事情，无论是通过未来的观察、建模还是某种技术的组合。”

由于阿利尔卫星的表面布满了裂痕状的峡谷、纵横交错的沟槽和光滑的斑点，这些被认为是由冰火山泄漏造成的，研究人员已经怀疑该卫星曾经或现在可能处于活跃状态。

2023 年，由 APL 的伊恩·科恩 (Ian Cohen) 领导的一项研究甚至表明，天王星卫星艾里尔和/或其姊妹卫星米兰达可能会向天王星的磁层发射物质，包括可能通过羽流发射。

科恩说：“所有这些新见解都凸显了天王星系统的吸引力。无论是为了揭开太阳系如何形成的谜团，还是为了更好地了解这颗行星复杂的磁层，或者为了确定这些卫星是否是潜在的海洋世界，行星科学界的许多人都十分期待未来探索天王星的任务。”

2023 年，行星科学界通过行星科学和天体生物学十年调查，优先考虑首次专门前往天王星的任务，让人们希望很快就能对这颗绿松石色的冰巨星进行科学航行。

卡特赖特认为这是一个收集有关太阳系冰巨星及其可能蕴含海洋的卫星的宝贵数据的机会，这些数据都可以应用于在其他恒星系统中发现的世界。

但这也是最终获得只有身处该系统才有可能得到的具体答案的机会。例如，Ariel 上观察到的大多数凹槽(疑似其内部开口)都位于其尾端。如果二氧化碳和一氧化碳以某种方式从这些凹槽中泄漏出来，那么这可以解释为什么它们在 Ariel 的尾端更为丰富。

“这有点牵强，因为我们还没有看到太多月球表面，”卡特赖特警告说。旅行者 2 号在短暂的飞越中只捕捉到了艾里尔表面的 35% 左右。“除非我们进行更深入的观察，否则我们不会知道，”他说。

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