土星-月球Rhea的惊喜：富氧大气

2010年3月Rhea的飞越轨迹和氧气大气分布（通过计算机模型模拟）。插图：与卡西尼号在飞越过程中的测量值（白色）相比，预测的氧气密度（黄色）。

一项新的研究发现，土星第二大卫星瑞亚的大气层稀薄，含有大量的氧气和二氧化碳。

美国国家航空航天局的卡西尼号宇宙飞船在3月份近距离飞越冰冻的月球时探测到了瑞亚的大气层。这一发现标志着首次在土星卫星上发现富含氧气的大气层。

众所周知，在我们太阳系的其他天然卫星上也存在氧气大气层。例如，木卫二和木卫三“木星的两颗寒冷卫星”也富含氧气。

但研究人员表示，在Rhea上的发现表明，整个太阳系及其他地区的许多其他大型冰覆盖天体可能含有富含氧气的空气的薄外壳，也许还有复杂的化学成分。

“我们在木星上看到了这种情况，现在我们已经在土星卫星上证实了这一点，”该研究的主要作者、圣安东尼奥西南研究所的本·特奥利斯告诉太空网。“它的广泛传播非常令人兴奋。”

寻找气氛

美国国家航空航天局的哈勃太空望远镜在20世纪90年代探测到木卫二和木卫三周围的稀薄氧气大气层。在木星的两颗卫星上，氧气都来自地表水冰，在木星带电粒子的猛烈轰击下，水冰分裂成氢气和氧气。

研究小组认为，类似的事情可能发生在土星系统中，土星系统中充满了巨大的冰冻卫星。

瑞亚是天生的候选人。特奥利斯说，它主要由水冰组成，“直径950英里（1529公里）”应该有足够的引力来维持大气层。

卡西尼号宇宙飞船曾在2005年和2007年的两次飞越中寻找过Rhea周围的氧气大气层。调查发现了一些有趣的线索，但一无所获。在这些遭遇战中，卡西尼号到达了距离Rhea表面312英里（502公里）和3564英里（5736公里）的范围内。

去年三月，飞船离我们更近了。它在Rhea的北极上空巡航，距离月球表面不到60英里（97公里），“如此之近，以至于它飞越了月球大气层。”卡西尼号的质谱仪证实了氧气和二氧化碳的存在。

根据Teolis的数据，Rhea大气中氧气约占70%，二氧化碳约占30%。研究人员发现，在卡西尼号采样的地方，大气比包裹木卫二和木卫三的空气薄大约100倍，这解释了为什么卡西尼号没有从远处发现它。

“它太薄了，无法远程检测，”特奥利斯说。

Teolis补充道，相比之下，地球大气层中的氧气浓度可能比Rhea上的氧气浓度高出至少5万亿倍。但这仍然使Rhea的大气层比地球的月球或水星厚约100倍。

瑞亚并不是唯一一颗已知有大气层的土星卫星：土星最大的卫星泰坦有一颗厚厚的富氮卫星。但这项新的研究首次证实了木星系外存在一个由冰衍生的富氧大气层。

特奥利斯和他的同事在11月25日的《科学》杂志上在线报道了他们的发现。

瑞亚的神秘二氧化碳

研究人员表示，他们非常确信Rhea的大气氧气来自土星磁层的带电粒子，这些带电粒子将水冰分子炸开。然而，二氧化碳的来源更为神秘。

研究人员说，Rhea可能和许多其他太阳系天体一样，在其表面或附近有富含碳的有机分子。这些有机物可能被土星的带电粒子分裂，就像瑞亚的冰一样。释放出来的碳和氧气可以结合，形成二氧化碳。

研究人员表示，微陨石轰击也可能为这种反应输送碳。

也有可能是Rhea内部的二氧化碳已经完全形成。这种气体可能是“大约45亿年前月球形成时遗留下来的”原始气体，也可能是很久以前Rhea内部反应的产物，现在Rhea在地质上似乎已经死亡。

特奥利斯说：“目前我们还不知道这些机制中的哪一种产生了这种病毒。”“这绝对是我们未来要关注的问题。”

研究人员可能很快就会有机会这样做。Teolis说，卡西尼号计划在1月份更近距离地飞越Rhea，到达距离月球南极区约47英里（75公里）的范围内。

关于冰冻世界的狡猾化学

研究人员表示，这项新研究表明，“由表面冰分裂产生的”氧气大气层可能在整个太阳系及其他地区的大型寒冷天体上很常见。

“现在看来这是一种模式，”特奥利斯说。

研究人员表示，这种模式的含义很有趣。氧气的反应性极强，因此大型冰冻卫星的表面或附近可能存在比之前想象的更复杂的化学物质。

如果氧气进入地下并与液态海水混合，这种化学反应可能会变得更加有趣。Rhea似乎没有地下海洋，但其他寒冷的卫星可能有，例如木卫二和土星第六大卫星Enceladus（其本身可能太小，无法容纳大气层）。

Teolis说：“如果这种机制像看起来那样普遍，那么它肯定会提出一些非常有趣的问题。”