土卫二(土星的第六大卫星)

土卫二（Enceladus），又名恩克拉多斯，是土星的第六大卫星，其平均直径505km。土卫二为扁平的椭球体，同时它也是太阳系中反照率最高的天体。土卫二于1789年被威廉·赫歇尔（William Herschel）发现。1847年，约翰·赫歇尔（John Herschel）以希腊神话中的巨人恩克拉多斯为土卫二命名。

土卫二的表面有多种类型的地形：撞击坑地形、平滑地形、山脊地形（常与平滑区域接壤）、线性裂缝、陡坡、槽谷与沟壑。其南极和北极地区的地形截然不同。南极洲区的地形是土卫二表面最年轻的地形之一，而北极附近的地形是土卫二表面上陨石坑最多、最古老的地形之一。科学家研究表明，土卫二内部由岩石核心、地下海洋和冰壳组成。土卫二的大气层来源归因于周期性的低温火山活动，其主要由91%的水汽、4%的氮、3.2%的二氧化碳和1.7%的甲烷组成。土卫二是太阳系中唯一已知可以影响其母星化学成分的卫星。研究表明，土卫二排出的水最终约有3~5%落入土星。

20世纪80年代，旅行者1号探测器和2号航天器先后对土卫二进行了掠飞观测。2004年，卡西尼号开始环绕土星运行，曾23次近距离飞越土卫二，获得了该卫星表面及其环境的大量数据。2023年6月，《自然》杂志发表的一项研究表明，科学家首次在土卫二的液态海洋中发现了高浓度的磷。该研究意味着土卫二集齐了构成生命所需的六大基本元素。

发现与命名

1789年8月28日，被英国天文学家威廉·赫歇尔爵士（William Herschel）通过一台焦距40英尺、孔径4英尺的大型反射望远镜发现了土卫二。土卫二是威廉·赫歇尔发现的土星两颗卫星中的第一颗。在这两年前，他曾用6.5英寸孔径的小望远镜观测到土卫二。

土卫二以希腊神话中的巨人恩克拉多斯（Enceladus）命名。威廉·赫歇尔（William Herschel）的儿子约翰·赫歇尔（John Herschel）在他1847年出版的《好望角的天文观测结果》（Results of Astronomical Observation made at the Cape of Good Hope）中提出了恩克拉多斯这个名字。当时，他正在为已发现的土星前七颗卫星命名。土星卫星的英文名称都以希腊神话中的巨人来命名，约翰·赫歇尔选择这些名字是因为Enceladus和Mimas等是土星所代表的克洛诺斯（希腊神话中土卫六族领袖）的兄弟姐妹。另外，根据国际天文学联合会（IAU）为土卫二制定的命名规则，其地表特征均以经典故事中的人物和地点命名。

特征

基本特征

土卫二比土卫六小10倍，是土星的第六大卫星，其平均直径505km，只有月球直径的1/7。土卫二为扁平的椭球体，比它小的除了土卫一（直径390km）之外，其他的土星小卫星均为不规则形状。土卫二的大小相当于0.0395个地球（或0.1451个月球），但其质量仅为1.08×1020千克，土卫二的平均密度为1.61克/厘米3，高于土星其他中型冰质卫星，这表明其组成中含有更高比例的硅酸盐和铁。土卫二最大的特点是反照率高达100%，是太阳系中反照率最高的天体。因此，其表面温度仅-201°C。土卫二表面大部分为水冰覆盖，平均温度为75K，最高温度达145K。土卫二的运行轨道位于土星E环的稠密处，一般认为，E环主要由土卫二地表所喷射出的颗粒组成。该卫星的轨道离心率很低（0.0047），并以平均距离（半长轴237,948公里）绕土星运行，且位于土卫一和土卫三的轨道之间。与土星的其他大型天然卫星相似，土卫二以同步自转方式绕土星运行，距离土星238000公里，且始终固定一面朝向土星。土卫二的公转周期和自转周期都是32.9小时（即1.370218世界地球日）。该卫星还会出现受迫摆动现象——即相对于土星其他卫星产生视振荡，这种摆动可能也为土卫二提供了内部热源。

地表特征

土卫二的表面有多种类型的地形：撞击坑地形、平滑（年轻）地形、山脊地形（常与平滑区域接壤）、线性裂缝、陡坡、槽谷与沟壑等。对撞击坑地形、平滑平原及其他特征的勘测表明，其表面重塑程度暗示构造运动在土卫二地质历史中起着重要作用。

光滑的平原主要由新鲜洁净的冰构成，这使土卫二可能拥有太阳系中反射率最高的表面（视觉几何反照率达1.38）。这些区域陨石坑稀少，表明其地质年龄可能不足数亿年。此外，这些区域相对年轻的特征，表明其在低温火山活动和其它过程下积极地更新表面。

而较古老的地形不仅布满陨石坑，还被观测到存在大量裂缝——这表明自陨石坑形成以来，地表经历了广泛变形。部分区域呈现无陨石坑地带，暗示地质学近期曾发生过重大表面重塑事件。裂隙、平原、波纹状地形及其他地壳变形现象也印证了土卫二仍存在地质活动。关于土卫二存在地质活动的证据还来自其沟槽地形，包括由弯曲构造和山脊组成的带状区域，这些地形常将平坦平原与陨石坑区分隔开来。另一种证据是深裂缝，它们通常呈带状横穿陨石坑区，其形成很可能受到撞击坑产生的松散风化层薄弱带的影响。

土卫二上另一重要构造特征之一是裂谷峡谷，这种地质构造形成时间较晚。它们可长达200公里、宽5~10公里、深1公里。由于其横切其他地质结构，因此在峡谷峭壁表面显得轮廓分明、起伏陡峭。线性沟壑同样可见于其他地形之上，例如槽脊带。与深邃裂谷相似，它们是土卫二表面最年轻的地貌之一。但部分线性沟壑已如周边环形山一般变得平缓，表明其形成年代更为久远。土卫二上还观测到高达一公里、分布范围相对有限的山脊结构。

土卫二还有着著名的“虎纹”特征——一系列被冰层包围的裂缝。南极地区一系列两侧以山脊为界的裂缝，周围环绕着粗粒水冰。这些裂缝可能是该区域最年轻的地貌特征。加之该区域缺乏撞击坑，进一步证明了土卫二有地质活动的存在。

南极地区

南半球地图显示，一条陨石坑地形带从赤道向南延伸。在南纬约55度的两极地，陨石坑地形被打断，取而代之的是明显断裂的极地地形，几乎没有撞击坑。与非常古老的北极地形相比，南极地形是土卫二表面最年轻的地形之一。在南极地区内有一组突出的平行“条纹”，这些“条纹”由裂缝组成，这些裂缝由每个裂缝两侧相对深色的标记划定。平行裂缝的一个有趣的特性是，每个裂缝似乎都在其最西端的段向后转，就好像它已经“弯曲”成钩状曲线一样。在整个南半球地区都可以找到类似的裂缝，这是南极地形的独特特征。

北极地区

北极附近的地形特征与南极洲附近的差异很大。北极附近的地形是土卫二表面上陨石坑最多、最古老的地形之一。北半球地图显示，一条宽的陨石坑带从面向土星一侧的赤道延伸到极点，并延伸到背向土星一侧的赤道。土卫二前侧和后侧赤道和中纬度附近的地形没有那么多陨石坑，其特征是有强烈的断裂带和断层带。

内部结构

土卫二内部已基本分异为地质活跃的核心和冰质地幔（壳），两者之间还夹着一层液态水海洋。

土卫二南极地区有强烈的羽流（Plume），暗示了外层冰壳下的内部有液态水海洋。对影像、质谱和磁层数据的综合分析表明，观测到的南极洲羽流源自受压的地下腔室。卡西尼探测器还在南极地区探测到内部热量逃逸的现象。这些温度过高，无法归因于太阳加热，再加上间歇泉活动，似乎表明该行星内部仍在地质活动

然而，通过对土卫二重力、形状和振动数据比较发现了关于海洋/冰界面深度和海洋总体积出现了矛盾。因此研究人员提出了一个由岩石核心、内部海洋和冰壳组成的内部结构模型，该模型同时满足重力、形状和振动数据。研究表明，通过考虑等静压补偿可以协调数据。该模型预测核心半径为180-185公里，海洋密度至少为1030千克/米3，冰壳平均厚度为18-22公里。在南极地区，两极的冰层厚度减少到不到5公里。

岩石核心

核心是由松散、易变形的多孔岩石制成的，水很容易渗透。因此，来自海洋的低温液态水可以渗透到核心，并随着深度的增加，通过滑动岩石碎片之间的潮汐摩擦逐渐升温。在潮汐摩擦的作用下，多孔内核中有效的岩石水相互作用可能会在数千万至数十亿年内产生巨大的热量。

冰壳

冰壳的厚度是变化的，平均冰壳厚度在18~22km之间，对应的南极洲的最小厚度分别为1.5~5km。南极冰层厚度的减少与南极中部地形的变化相关，该地区以外的冰壳逐渐增厚。北极地形的冰壳厚度也会随地形变化减少，但不那么明显。

地下海洋

卡西尼号在2010年12月测得的重力数据显示，土卫二的冰冻表面下可能有一个液态水海洋，海洋顶部可能位于30~40km厚的冰壳下。南极的海洋可能有10km深。后来发现土卫二绕土星运行时存在“摆动”，提示整个冰壳与岩石核心是分离的，因此地表下应存在一个全球海洋。这个全球海洋的深度为26~31km。也就是说，土卫二的海洋被夹在数十公里厚的冰层与地核之间。

由于土卫二与土卫四的共振激发了其轨道偏心率，而潮汐力会抑制这种偏心率，导致其内部发生潮汐加热。这为其地质活动提供了可能性。同时也表明其内部海洋越靠近核心，温度越高。研究表明，其pH值呈碱性，范围为11至12。这种高pH值（碱性）被解释为球粒陨石蛇纹石化的结果，该过程会导致分子氢的生成。这种地球化学能源可以被产甲烷微生物代谢，为生命提供能量。内部咸水海洋的存在、能量来源以及简单有机化合物，都表明微生物可能更靠近核心区域，那里水温较高且存在生命的基本构建单元。

相关探测

旅行者1号探测器

1980年11月，“旅行者1号”探测器从距离土卫二20万km处掠飞观测，观测到土卫二有一个光滑且高反射率的外表，几乎不存在地形特征。其轨道位于土星E环最稠密的部分，表明两者之间可能存在某种联系。

旅行者2号探测器

1981年8月，“旅行者2号”探测器从距离土卫二8万km处掠飞，发现尽管土卫二体积不大，但其表面既存在古老的撞击坑构造，又存在较为年轻的、地质活动所造成的扭曲地形构造。而且土卫二表面存在明显的地质活动。

卡西尼号探测器

美国航空航天局（NASA）的卡西尼号探测器于1997年10月从地球发射升空，并于2004年进入土星轨道对土卫二进行近距离掠飞观测（最小距离约50km）。卡西尼号曾23次近距离飞越土卫二，获得了该卫星表面及其环境的大量数据，解开了卫星一号探测器探测之后留下的诸多疑团。研究人员认为土卫二存在地质喷发活动，星体表面以下有大量液态水，在喷发羽状物中发现了特殊化学成分。自2005年起，卡西尼号的发现使科研人员将土卫二提升至与火星和木卫二并列的地位——它们被视为太阳系中除地球之外最有可能存在生命迹象的场所。

2005年2月，卡西尼号开始研究土卫二。当时该航天器在距离其1,167公里的范围内飞过。航天器的磁力计（MAG）检测到土卫二上方空间存在磁场的局部弯曲，但磁场线只出现在南极。与此同时，航天器的宇宙尘埃分析仪（CDA）检测到了数千个尘埃大小的颗粒。卡西尼号的摄像头还观测到南极附近有一些线性特征物体，它们的颜色与冰面其他部分不同，这表明它们的地质年龄较年轻。当卡西尼号在次月第二次飞过土卫二时，磁力仪再次检测到弯曲效应以及磁场中的振荡。通过带电离子的振荡频率可知，带电离子是电离的水粒子。7月14日，卡西尼号调整飞行路径，以仅175公里的高度掠过土卫二表面，进一步观测到其南极洲区域几乎不存在石陨石撞击坑。卡西尼号的成像相机还拍到了无数房屋大小的冰砾散布在表面，断层与山脊在冰原上纵横交错。而这些冰砾正是由卫星冰壳活动所形成。种种迹象表明，土卫二南极区域拥有最新形成的地表。通过卡西尼号，科学家还发现南极上空有一片异常稠密的水蒸气和冰粒云，证实了土卫二是土星E环物质的主要来源。冰冷的水颗粒和气体以大约每秒400米的速度从土卫二表面喷涌而出。连续的火山喷发在土卫二周围产生了巨大的细小冰尘晕，为土星的E环提供了物质。不过，只有一小部分物质最终进入了E环，其中大部分物质像雪片一样落回土卫二表面，使土卫二保持亮白色。同时，卡西尼号发现，在土卫二赤道地区，阳光照射最为直接，地表平均温度为零下193摄氏度。南极地区虽然接收的阳光更少，但实际测量显示，该区域平均温度为零下188摄氏度，反而略高于赤道。那些“虎纹”线性断裂带，局部温度甚至达到零下163摄氏度，比赤道区域高出70度。这说明土卫二充满地质活力。截至2006年3月，卡西尼号航天器传回的图像显示土卫二释放的物质远超预期，且速度极快。对于其上方水云产生的原因，科学家排除了彗星假说。2007年10月，卡西尼号传回的数据让科学家确定，这些喷流基本上全部源自四条虎纹状裂缝，且几乎都来自红外光谱仪测得的温度最高区域。

在2008年和2009年的三次卡西尼号飞越土卫二期间，离子与中性粒子质谱仪（INMS）对羽流中的颗粒和气体进行了分析，其中包含水蒸气、二氧化碳、一氧化碳和有机化合物质，所有物质的密度均远高于科学家的预期。在飞掠过程中，CIRS仪器绘制了新的南极洲高分辨率热图，发现虎纹裂缝几乎从头到尾都比周围地表温度更高。光谱仪检测到部分区域地表温度达到零下93摄氏度，比之前测量的温度还要高。卡西尼号拍摄的相片显示虎纹状裂缝深约300米，内壁呈V形。其宇宙尘埃分析仪测量了土卫二新喷出的羽流颗粒的成分。冰冷的粒子以6.5~17.5公里/秒的速度撞击探测器目标，并迅速蒸发。然后，仪器内部的电场对分离出的撞击云的各种成分进行分析。经过计算机处理后的图像数据显示，在远离土卫二的地方，喷出的颗粒相对较小，而且大多是少盐的，与E环的组成比较匹配；在靠近土卫二的地方则是相对较大的、富含盐分的冰粒为主。而卡西尼号的INMS仪器发现了氨的确凿证据，这进一步证实了液态水的存在。

随后在2010年10月，解析卡西尼号数据的科学家们在计算土卫二围绕土星运行时，地壳中如何产生潮汐应力的过程中，发现将土卫二应力最强的预测位置与红外光谱仪测绘学出的热区进行比对，二者并不吻合。研究人员认为产生这种差异的原因，可能是这颗卫星在自转时会发生摆动。

2012至2013年间，卡西尼号科学家逐渐发现引力应力与土卫二喷流变化之间存在关联。与太阳系所有行星和卫星一样，土卫二的运行轨道并非正圆，而是呈椭圆形。当这颗卫星绕土星运行时，与土星距离时近时远产生的引力应力会导致其表面"虎纹"裂缝不断开合。

2015年10月28日，卡西尼号飞行到距地49km处，并穿过一个羽流。光谱仪检测到分子氢，被认为是当时海底正在发生的热液活动所产生的。

2018年6月的科学报告指出，在卡西尼号轨道飞行器抽样的土卫二喷气羽流中检测到复杂的大分子有机物，这表明其潜在的热液活动驱动了复杂的化学反应发生。

自然景象

土卫二上的夜空

从土卫二上观测，土星占据着近30°的视角，比从地球上观测到的月球的视角大60多倍。此外，由于土卫二的自转与公转同步，造成土卫二永远都由同一面面向土星，所以土星在土卫二的夜空中从不移动（除了由于轨道异常所造成的微小变化），而在土卫二背对着土星的那一面，则永远都看不到土星。土星光环的可观测视角只有0.019°，看起来就像一条明亮的细线横穿土星的圆盘，不过它落在土星盘面上的阴影则可以被清楚地辨认出。就如同在地球上观测到的月球一般，土卫二上观测到的土星也有定期的相的变化，其从亏到赢要经历一个16小时的周期。与此同时，太阳则只占据着3.5'的视角，比从地球上观测到的月球的视角小了9倍如果一个观测者在土卫二上进行观测，那么平均每过72小时，他就能观测到土卫一（位于土卫二轨道内侧的最大卫星）运行至土星前面。土卫一的视角接近于月球，最大时为26'；而土卫十三和土卫三十二大小则如同星星；土卫三的最大视角能略超过1°，比月球的视角大一倍，但只有在其最靠近土卫二时从土卫二的背向土星面才能看到。