土星的恩克拉多斯衛星覆蓋著冰層，但在這層冰殼之下，存在著一個全球性的海洋。在衛星的南極附近，地殼的裂縫將水蒸氣和冰粒子噴射到太空中。這些粒子為科學家提供了一種研究外星海洋的獨特方式，而無需鑽穿數公里的冰層。
一個由東京科學技術大學地球生命科學研究所（ELSI）研究人員組成的國際團隊，現已研究了這些海洋水從地表之下移動到最終成為太空中偵測到的微小冰粒的過程。
卡西尼號發現令人驚訝的多樣化冰粒
在 2004 年至 2017 年間，美國國家航空暨太空總署（NASA）卡西尼號太空船上的宇宙塵埃分析儀，測量了土星 E 環中個別冰粒的成分。該環不斷地從恩克拉多斯噴發出的物質供應。
由柏林自由大學的 Frank Postberg 教授領導的團隊，檢查了 961 個質譜數據，這些數據來自被稱為 3 型的富含鹽分的顆粒。如果這些顆粒僅僅是相同海洋水的微小樣本，科學家可能會預期它們含有大體相似的鹽類混合物。
然而，這些顆粒的差異卻非常顯著。
有些顆粒特別富含氯化鈉，而有些則含有較高量的碳酸鹽、磷酸鹽或氯化鉀。一個特別引人注目的模式是，氯化物和碳酸鹽很少同時出現在同一個富含鈉的顆粒中。
這引發了一個基本謎團。如果所有這些顆粒都來自同一個海洋，為什麼它們的化學成分差異如此之大？
在實驗室中重現恩克拉多斯的海洋液滴
為了探究這個問題，ELSI 的 Yasuhito Sekine 教授及其同事，在實驗室中製造了含有恩克拉多斯海洋中主要鹽類的液滴。
研究人員在不同的冷卻條件下，凍結了不同大小的液滴，然後研究了液滴固化後化學元素的分佈情況。
結果顯示，冷凍的速度起著關鍵作用。
在直徑約 200 微米的液滴中，當冷凍相對緩慢（每分鐘約 10 K 或更低）時，鹽類會分離成不同的區域。當液滴凍結得更快時，其化學成分則保持更均勻的混合。
Sekine 表示：「令我們驚訝的是，卡西尼號所見的多樣性，竟然可以來自本質上相同的海洋水滴。我們的實驗表明，當相對較大的海洋液滴緩慢凍結時，不同的鹽類會在其中分離。如果這些凍結的液滴後來破裂，它們就可以產生更小的冰粒，每一粒都具有非常不同的化學成分。」
恩克拉多斯冰層中的較慢旅程
這些發現也可能揭示了衛星冰殼內部發生的情況。
早期的研究普遍認為，恩克拉多斯的噴霧狀海水會快速凍結，並在離開海洋後迅速進入太空。新的實驗指向了另一種情況。
這些液滴可能最初在地下噴發系統中移動得非常緩慢，在接近地表之前，沿著冰層裂縫經過複雜的路徑。
研究人員推測，海洋噴霧首先形成直徑從數十到數百微米的液滴。當這些液滴在噴發通道較深處緩慢移動時，它們會逐漸凍結，使鹽類有足夠的時間分離到不同的區域。
靠近地表時，情況發生了變化。氣體開始移動得更快，凍結的液滴可能會高速撞擊較窄冰通道的壁。這些碰撞可能會將液滴打碎成更小的碎片。
每個碎片都可能來自原始凍結液滴中不同的富鹽區域，從而產生化學成分差異很大的冰粒。這些碎片隨後可以逃逸到太空中，成為土星 E 環的一部分。
Postberg 表示：「卡西尼號的數據顯示，這些富含鹽分的顆粒在化學成分上比平均海洋成分所暗示的要多樣化得多。將這些觀測與冷凍實驗結合起來，為我們提供了一個物理學上的解釋：卡西尼號可能採樣了較大凍結海洋液滴的碎片，每個碎片都保留了在它們前往地表的旅程中分離出來的不同成分。然後，每種單獨成分在海洋中的豐度，就反映在發現該特定成分的碎片數量上。」
恩克拉多斯可能自然濃縮關鍵化合物
這項發現對於未來前往恩克拉多斯任務可能尤其重要。
隨著液滴凍結和破裂，單獨的化合物可能會濃縮在特定的冰粒中。這個過程不僅分離了不同的鹽類。早期的研究也表明，有機物質可以相互分離，並在某些顆粒中以較高的濃度出現。
這可能會使未來的分析更加容易。
在恩克拉多斯的海洋中高度稀釋並與許多其他物質混合的化合物，當它們濃縮到單獨的冰粒中時，將更容易被偵測到。
在地球上，實驗室在分析樣本之前，通常會花費大量精力來分離和濃縮化學物質。恩克拉多斯似乎自然地執行了這兩個「樣本製備」步驟：化學成分會被分離，有些最終濃縮在部分冰粒中。
對生命前化學的可能影響
緩慢冷凍可能還有另一個重要後果。
隨著冰晶的生長，液態鹽水的小液泡可能會被困在它們之間。鹽類和有機化合物在這些液泡內部可能會高度濃縮。
這種濃縮可能對生命前化學很重要，它涉及可能在生命出現之前發生的化學過程。這種化學反應的一個主要挑戰是將通常非常稀釋的分子彼此靠近接觸。
由於從恩克拉多斯噴發出的許多物質最終會落回衛星上，這種冷凍、濃縮和循環過程可能會一次又一次地發生。
因此，了解恩克拉多斯如何形成其冰粒，不僅能解釋卡西尼號的異常測量結果。它為衛星地表下的隱藏環境提供了新的線索，並可能幫助未來的太空船正確解釋它們在尋找宜居性證據和可能的生命跡象時收集到的粒子。
