泰坦上的魔法島

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主譯：甘林

校對(duì)：酥油餅

審核：牧夫天文校對(duì)組

美編：余家勁

后臺(tái)：王啟儒

https://sorae.info/astronomy/20240119-magic-islands.html

土星的衛(wèi)星泰坦表面存在著廣闊的液態(tài)甲烷湖泊。在這些湖泊中分布著一些島嶼，研究人員在其中還發(fā)現(xiàn)了曾被短暫觀測到之后便消失的“魔法之島（Magic Islands）”。至今為止，這些魔法之島是如何出現(xiàn)的，其形成機(jī)制尚不明確。

德克薩斯大學(xué)圣安東尼奧分校的于馨婷等人的研究團(tuán)隊(duì)，研究了多孔結(jié)構(gòu)的有機(jī)物塊體在甲烷湖中能夠漂浮的條件，并指出這種情況滿足作為“魔法之島”被觀測到的條件。這一現(xiàn)象與地球海洋中由浮石構(gòu)成、短暫出現(xiàn)并最終下沉消失的“幻之島”十分相似。

▲圖1：在泰坦的里蓋亞海（Ligeia Mare）中觀測到的“魔法之島”。與右上方的永久性地形不同，這些結(jié)構(gòu)看起來是短暫出現(xiàn)的，但其出現(xiàn)原因至今仍不明確。
（圖片來源：NASA、JPL-Caltech、ASI 與康奈爾大學(xué)）

泰坦湖泊中的“魔法之島”

土星的衛(wèi)星泰坦是除地球之外，唯一一個(gè)已確認(rèn)在天體表面存在穩(wěn)定液體的天體。由于擁有濃厚的大氣層，并且存在天氣現(xiàn)象和季節(jié)的變化，從某種意義上來說，泰坦可以被視為與地球相似的天體。不過，泰坦的平均氣溫約為零下 180℃，其表面的液體并非水，而是以甲烷為主的有機(jī)化合物。

▲圖2：基于雷達(dá)觀測制作的泰坦地圖。圖中可以看到大小不一的甲烷湖泊（以藍(lán)色標(biāo)示）。
（圖片來源：NASA、JPL-Caltech、ASI、美國地質(zhì)調(diào)查局〔USGS〕以及 T. Cornet〔歐洲航天局，ESA〕）

泰坦的表面已有部分區(qū)域被繪制成地圖。在那里分布著大小不一的湖泊，其中包括面積超過日本列島總面積的克拉肯海，并且在一些湖泊中還發(fā)現(xiàn)了島嶼。這些島嶼有的是真正長期存在的永久性島嶼，也有一些是在僅持續(xù)數(shù)小時(shí)到數(shù)周后便消失的島嶼。這種短暫存在、類似島嶼的結(jié)構(gòu)在地球上被稱為“幻島”或“疑存島”，而在泰坦上則被稱為“魔法之島（Magic Islands）”。

由于泰坦的地形只能通過雷達(dá)進(jìn)行觀測，因此關(guān)于“魔法之島”的真實(shí)身份，目前除了它是容易反射電波的物體之外，幾乎沒有更多確定的信息。此前的多種推測認(rèn)為，這些結(jié)構(gòu)可能是由以下原因造成的：

• 湖面波浪產(chǎn)生的雷達(dá)反射

• 漂浮在湖面上的有機(jī)化合物塊體

• 湖水中有機(jī)化合物導(dǎo)致的渾濁現(xiàn)象

• 由氮?dú)庑纬傻臍馀?/p>

“魔法之島”的真面目是有機(jī)化合物的“輕石”

▲圖3：在泰坦環(huán)境中生成的有機(jī)化合物種類以及它們所具有的物理性質(zhì)的總匯示意圖
（圖片來源：Xinting Yu 等）

于馨婷等研究人員認(rèn)為，泰坦的“魔法之島”可能是漂浮在甲烷湖上的固態(tài)有機(jī)化合物，因此他們調(diào)查了在泰坦低溫環(huán)境下形成的固態(tài)有機(jī)化合物的種類與形態(tài)，以及這些物質(zhì)是否能夠漂浮在甲烷湖中。

首先，通過簡單的計(jì)算可以得出結(jié)論：無論是哪一種有機(jī)化合物，在甲烷湖中都會(huì)下沉。這是因?yàn)樗泄虘B(tài)有機(jī)化合物的密度都高于液態(tài)甲烷，并且甲烷的表面張力較低。另一方面，由于甲烷中已經(jīng)溶解了大量有機(jī)化合物，因此與甲烷湖接觸的有機(jī)化合物不會(huì)溶解并消失，這一點(diǎn)也得到了證實(shí)。

因此，研究人員進(jìn)一步探討了有機(jī)化合物塊體是否可能形成類似低密度海綿的多孔結(jié)構(gòu)。原本會(huì)下沉的有機(jī)化合物塊體，如果其內(nèi)部含有大量空隙，整體密度就會(huì)降低，從而有可能漂浮在甲烷湖中。多孔材料中產(chǎn)生的毛細(xì)管現(xiàn)象會(huì)增強(qiáng)表面張力，從而提供額外的浮力。

此外，即便這些塊體最初能夠浮在湖面上，隨著時(shí)間推移，甲烷逐漸滲入空隙，使其密度增加并最終下沉，這也很好地解釋了“魔法之島”為何只是短暫存在的現(xiàn)象。

▲圖4：2021 年福德岡之場噴發(fā)所產(chǎn)生的輕石鋪滿海面的情景。這種輕石筏看起來宛如島嶼一般。本研究認(rèn)為，泰坦的“魔法之島”可能正是由有機(jī)化合物構(gòu)成的“輕石”所形成。
（圖片來源：日本海上保安廳）

這些特征與地球上的輕石極為相似。僅從化學(xué)組成進(jìn)行簡單計(jì)算的話，輕石的密度其實(shí)高于海水，按理說并不應(yīng)該漂浮在海面上。然而在現(xiàn)實(shí)中，由于內(nèi)部存在大量空隙，其整體密度降低，因此能夠漂浮在海水中。正如2021年福德岡之場火山噴發(fā)時(shí)那樣，大量噴出的輕石形成了輕石筏，看起來宛如一座島嶼。隨著時(shí)間推移，輕石會(huì)逐漸吸收海水并最終下沉。

于馨婷等研究人員通過計(jì)算指出，當(dāng)孔隙率在 25%～60% 之間，且直徑達(dá)到數(shù)毫米以上時(shí)，由有機(jī)化合物構(gòu)成的“輕石”能夠在甲烷湖中漂浮足夠長的時(shí)間。此外，這些輕石很可能是在泰坦地表形成的。

最初，這些有機(jī)化合物以類似雪的細(xì)小、形狀復(fù)雜的顆粒形式降落并堆積在地表，逐漸形成多孔的塊體。隨后，在自身重量的作用下如同冰川般流動(dòng)，當(dāng)它們抵達(dá)湖岸時(shí)，塊體會(huì)向湖面伸出，并在波浪或潮汐活動(dòng)的影響下破裂，變成如同漂浮冰山一般的碎塊。這一過程與“魔法之島”僅持續(xù)數(shù)小時(shí)到數(shù)周的壽命高度一致。

本次研究是否還能解開泰坦的另一個(gè)謎團(tuán)？

泰坦的環(huán)境既具有在短時(shí)間尺度內(nèi)變化豐富的獨(dú)特性質(zhì)，同時(shí)又由于距離地球十分遙遠(yuǎn)而難以進(jìn)行觀測，因此至今仍存在著許多未解之謎。出現(xiàn)在甲烷湖中的“魔法之島”，只是其中的一個(gè)例子。

關(guān)于泰坦的另一個(gè)謎團(tuán)，是湖面的異常平滑。雖然與地球相比規(guī)模要小得多，但人們預(yù)計(jì)泰坦的湖泊中仍然會(huì)存在微弱的波浪和潮汐活動(dòng)。然而，雷達(dá)觀測所測得的變化卻遠(yuǎn)小于預(yù)期。于馨婷等研究人員指出，其原因可能在于甲烷湖表面覆蓋著一層薄薄的由有機(jī)化合物構(gòu)成的“冰”。由于這一現(xiàn)象與“魔法之島”的形成過程相似，他們認(rèn)為兩者很可能是相互關(guān)聯(lián)的現(xiàn)象。

責(zé)任編輯：甘林

牧夫新媒體編輯部

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泰坦地貌：朦朧的大氣層、暗沉的沙丘以及鏡面般光滑的湖泊。

圖源：NASA / JPL

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