冰卫星土卫一的表面形态。图片来源：加州大学戴维斯分校

本报讯 太阳系外围行星周围遍布着被冰层包裹的卫星，其中一些卫星，如土卫二，在冰壳与岩石核心之间存在着液态水海洋，它们可能是在太阳系中寻找地外生命的最佳场所。一项新研究揭示了这些天体表面下可能发生的活动，为了解其多样地质特征的形成机制提供了线索。相关研究成果近日发表于《自然-天文学》。

“并非所有这类卫星都被确认拥有海洋，但我们知道部分天体确实存在海洋。”论文第一作者、美国加州大学戴维斯分校的Maxwell Rudolph表示，“我们关注的是在数百万年演化过程中塑造它们的地质活动，这让我们思考海洋世界的表面会呈现何种形态。”

从山脉到地震，地球表面的地质特征塑造源于地球深处岩石的运动与熔融。而在冰卫星上，地质活动则由水和冰的作用驱动。这些天体会被其绕行的行星的潮汐力加热。围绕同一行星运行的卫星间会产生相互作用，导致周期性升温与降温。在此过程中，高温期会融化并减薄冰层；当热力减弱时，冰层则重新增厚。

研究团队此前曾研究冰壳增厚时的变化，发现由于冰的体积大于液态水，冻结过程会对冰壳产生压力，这可能形成如土卫二“虎纹裂缝”般的特征。但若情况相反，当冰壳自底部开始融化时会发生什么？研究团队认为，可能导致海洋“沸腾”。

因为当冰融化为液态水时，压力会下降。研究团队计算发现，至少在土星卫星土卫一、土卫二等小型冰卫星，或天王星卫星天卫五上，压力可能降至足以达到冰、液态水与水蒸气共存的“三相点”。

美国国家航空航天局的“旅行者2号”探测器传回的天卫五图像显示，其表面存在被称为“日冕”的脊状山脉与悬崖地貌。海洋沸腾理论恰好能解释这些特征的形成机制。

直径约400公里的土卫一表面遍布坑洼，巨大的陨石坑为其赢得“死亡之星”的绰号。Rudolph指出，虽然表面地质活动看似停滞，但土卫一运行轨迹的摆动暗示着地下海洋的存在。由于冰壳变薄预计不会导致土卫一冰壳破裂，使得地下海洋与沉寂的地表得以共存。

卫星尺寸在其中起着关键作用。研究团队计算表明，在天王星卫星天卫三等大型冰卫星上，冰融导致的压力下降会在达到三相点之前就引发冰壳破裂。研究者认为天卫三的地质特征可能是冰壳先变薄后增厚过程的产物。

Rudolph强调：“正如地球地质学可以帮助我们理解数十亿年变迁后的星球样貌，解读这些卫星的地质过程也能让我们洞悉其独特地貌的成因。”（冯维维）

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41550-025-02713-5