超级计算机新发现揭开土卫二隐藏海洋的秘密

数世纪后，NASA的卡西尼-惠更斯（简称卡西尼）任务进一步推动了对土星的探索。自2005年起，该任务传回了令人震撼的图像，重塑了科学家对土星的认知。其中最引人注目的发现是冰卫星土卫二上高耸的间歇泉，它们将碎片抛向太空，并在土星周围形成了一个微弱的子环。

新模拟：土卫二流失多少冰
近期，德克萨斯高级计算中心（TACC）基于卡西尼号航天器的数据进行了超级计算机模拟，精确了土卫二向太空流失冰量的估算。这些结果为未来机器人探测任务的规划提供了支持，并加深了对这颗卫星表面下可能适合生命存在的环境条件的理解。

比利时皇家空间航空研究所高级研究员、德克萨斯大学奥斯汀分校航空航天工程与工程力学系附属研究员阿诺·马伊厄表示：“土卫二的质量流率比科学文献中记载的低20%至40%。”

模拟羽流：DSMC方法与进展
马伊厄是2025年8月发表在《地球物理研究期刊：行星》上关于土卫二计算研究的通讯作者。在这项研究中，他和合作者创建了直接模拟蒙特卡洛（DSMC）模型，以更好地描述土卫二表面喷口喷出的巨大水蒸气和冰粒羽流的结构与行为。

该研究延续了马伊厄2019年领导的早期研究，当时首次应用DSMC模型推断羽流的初始条件，包括喷口大小、水蒸气与冰粒的比例、温度和喷出速度。

马伊厄说：“DSMC模拟的计算成本很高。早在2015年，我们就使用TACC的超级计算机获得了参数化模型，将计算时间从当时的48小时缩短到现在的仅几毫秒。”

利用这些数学参数化模型以及卡西尼号穿越羽流时的原位测量数据，研究团队计算了土卫二冰火山活动的羽流密度和速度。

马伊厄表示：“我们这项新研究的主要发现是，对于100个冰火山源，我们能够确定质量流率以及其他此前未推导的参数，例如物质喷出时的温度。这是理解土卫二上发生的事情的一大进步。”

拥有强大喷流的小世界
土卫二直径仅313英里（约504公里），其微弱的引力无法完全留住从喷口喷发的冰喷流。DSMC模型考虑到了这一点。早期技术在处理物理和气体动力学方面不如DSMC方法严谨。土卫二的行为类似于火山将熔岩抛向太空，只不过喷出物是水蒸气和冰组成的羽流。

这些模拟在微观层面追踪气体行为，观察粒子的运动、碰撞和能量交换，很像弹珠相互撞击。它们以微秒为时间步长模拟数百万个分子。DSMC方法还能在比以往更低、更接近实际的压力下进行计算，粒子碰撞间隔时间更长。

德克萨斯大学奥斯汀分校教授、该研究的合著者大卫·戈尔茨坦于2011年领导开发了名为“Planet”的DSMC代码。TACC通过德克萨斯大学研究网络基础设施门户，为戈尔茨坦提供了Lonestar6和Stampede3系统的使用配额，该门户支持德克萨斯大学系统所有14所机构的研究人员。

马伊厄说：“TACC的系统架构出色，具有很大的灵活性。如果我们仅在笔记本电脑上使用DSMC代码，只能模拟很小的范围。多亏了TACC，我们可以模拟从土卫二表面到10公里高度的区域，那里羽流向太空扩展。”

雪线之外的海洋世界
土星位于太阳系“雪线”之外，与其他拥有冰卫星的巨行星（包括木星、天王星和海王星）一样。

马伊厄说：“这些‘大冰球’下面有液态水海洋。除了地球，还有许多其他世界拥有液态海洋。土卫二的羽流为了解地下环境打开了一扇窗。”

下一步：任务与生命搜索
NASA和欧洲航天局正在准备重新访问土卫二的任务概念，这些任务将超越短暂的飞掠。计划包括在其表面着陆并钻透冰层，对下方的海洋进行采样，以寻找数英里冰层下的生命迹象。通过分析羽流物质，科学家无需穿透地壳就能评估地下环境。

马伊厄说：“超级计算机能为我们解答甚至10到15年前都不敢想象的问题。我们现在能更接近模拟自然界的运作了。”