木卫二的冰层下，可能藏着一片能孕育生命的海洋

多年来，科学家一直难以解释木卫二表面维持生命的物质如何能到达其被厚厚的冰层密封的地下海洋。研究人员借助一种名为“地壳分层”的地球地质过程（即地壳部分因受压、化学变化而变得足够致密，从而脱离并沉入下方地幔的过程）进行了计算机模拟。他们的模型显示，富含营养的致密冰层可能会从周围的冰层中脱离，然后缓慢穿过冰壳，直至到达下方的海洋。
“这是行星科学领域的一个新观点，其灵感来源于地球科学中一个已被充分理解的概念，”该研究的主要作者、弗吉尼亚理工大学博士后研究员奥斯汀·格林说，“最令人兴奋的是，这个新观点解决了木卫二长期存在的宜居性问题之一，这对其海洋中存在地外生命的前景来说是个好迹象。”
为何木卫二的海洋是宜居性谜题
这项研究发表在《行星科学杂志》上，作者包括格林（他在华盛顿州立大学攻读博士期间完成了大部分研究工作）以及凯瑟琳·库珀（环境学院地球物理学副教授、艺术与科学学院副院长）。
木卫二的液态水含量超过了地球上所有海洋的总和。然而，这片广阔的海洋位于厚厚的冰壳之下，冰壳厚到完全阻挡了阳光。没有阳光，木卫二海洋中的任何生命都需要替代的能量和营养来源，这就引发了长期存在的疑问：这样的环境是否真的能支持生命体生存。
更复杂的是，木卫二不断受到木星强烈的辐射。这种辐射与卫星表面的盐和其他物质发生反应，产生可能成为微生物营养的化合物。虽然科学家知道这些营养物质存在于表面，但它们如何穿过冰层向下到达海洋一直不清楚。尽管木星的引力作用使木卫二表面具有地质活动性，但大部分运动是横向的而非向下的，这限制了表面和海洋之间的直接物质交换。
借鉴地球地质学的观点
为解决这一问题，格林和库珀从地球寻找灵感。他们聚焦于“地壳分层”过程，即地球地壳的部分区域受到挤压、发生化学变化，变得足够致密后脱离并沉入下方地幔。
研究人员认为类似的过程可能在木卫二上发生。木卫二冰壳的某些区域含有高浓度的盐，这增加了冰的密度。此前的研究还表明，杂质会削弱冰晶的结构，使其不如纯冰稳定。要发生分层，这些被削弱的冰需要脱离并沉入冰壳更深处。
致密冰层如何为木卫二海洋“输送养分”
研究团队提出，嵌入纯冰中的重质、富盐冰层可能会缓慢穿过冰壳，循环利用表面物质并将营养输送到海洋。他们的计算机模型显示，只要表面冰层经历适度的弱化，这种下沉过程可以在广泛的盐浓度范围内发生。
根据模拟结果，这一过程在地质时间尺度上可能发生得相对较快，并且会在很长一段时间内重复发生。这使其成为一种潜在的稳定且可靠的将营养输送到木卫二海洋的方式，从而提高了那里生命存活的可能性。
与美国宇航局“木卫二快船”任务的关联
这些发现与美国宇航局2024年发射的“木卫二快船”任务的目标高度一致。该航天器旨在通过一系列科学仪器研究木卫二的冰壳、地下海洋以及整体宜居性。
这项研究部分得到了美国国家航空航天局（NASA）NNX15AH91G grant的支持，并依赖于华盛顿州立大学机构研究计算中心的计算资源。