前言

最近工作需要调研一下地外含有液态水/烃类的地外天体，索性直接发在网站上了。

太阳系内存在液态水的地外天体

图 1 太阳系内存在液态水的天体示意图

图 2 已确认存在液态水的天体截面图

根据目前的天文探测成果，太阳系内确定存在液态水（包括地表或地下液态水体）的天体及其具体证据总结如下：

木星系统

木卫二（欧罗巴，Europa）

图 3 木卫二地质剖面模型

1. 存在形式：冰壳下存在全球性咸水海洋，深度100–150公里，水量约为地球的2–3倍。

2. 证据：

   磁场异常（伽利略号探测到导电流体响应）；

   哈勃望远镜观测到水蒸气羽流喷发。

3. 未来探测：NASA“欧罗巴快船”（2024年发射）将深入分析羽流成分。

木卫三（盖尼米得，Ganymede）

图 4 木卫三地质剖面模型

1. 存在形式：太阳系最大液态水储层，冰下海洋深度达100公里，水量约35.4 ZL（地球的26.5倍）。

2. 证据：

   磁场扰动显示分层导电层（海洋夹在冰层间）；

   哈勃望远镜确认咸水海洋存在。

3. 特殊性：唯一拥有磁场的卫星，潮汐加热与放射性衰变共同维持液态。

木卫四（卡利斯托，Callisto）

图 5 木卫四地质剖面图

1. 存在形式：岩石核心上方存在局部液态水层，厚度约10公里。
2. 证据：磁场数据间接支持液态层的存在，位于木星多变磁场中的木卫四就像一个理想的导电球体，磁场无法穿透到卫星的内核，意味着该天体存在着一层厚度至少达到10公里的高电导率液体。

土星系统

土卫二（恩克拉多斯，Enceladus）

图 6 土卫二推测地质截面图

1. 存在形式：南极冰壳下（厚3–4公里）存在区域性咸水海洋，深度约10公里。

2. 直接证据：

   • 卡西尼号穿越喷流，检测到NaCl、$\text{H}_{2}$及有机化合物分子；

   • 喷泉含液态水冰晶，驱动土星E环形成；

土卫六（泰坦，Titan）

图 7 土卫六表层存在液态烃类湖泊

1. 存在形式：

   • 甲烷地表湖泊（如克拉肯海，宽1000公里）；

   • 冰壳下存在全球性咸水海洋，深度35–80公里，水量超地球11倍。

2. 证据：雷达测绘确认甲烷湖；引力场模型支持地下海洋。

其他天体

海卫一（特里同，Triton）—海王星卫星

1. 存在形式：潮汐加热维持地下液态水海洋。
2. 证据：活跃氮气喷泉暗示内部热源，类比土卫二。

谷神星（Ceres）—矮行星

1. 存在形式：地壳下存在局部盐水库（含25%水冰）。
2. 证据：黎明号探测到亮斑区含碳酸盐水合物及黏土矿物。

冥王星（Pluto）—矮行星

1. 存在形式：斯普特尼克平原下可能存在粘稠氨水海洋。
2. 证据：“新视野”号发现氨痕迹及低温火山，暗示内部热源维持液态。

火星

液体沸点随气压降低显著下降，火星表面平均气压仅610 Pa（局部最低至300 Pa），水的沸点降至约0℃。液态水一旦暴露，将直接跳过液态阶段，发生固-气或气-固相变。

特殊条件下液态水存在的可能性：

1. 高盐度环境：

高氯酸盐（如Ca(ClO₄)₂）可将水的冰点降至-70°C。祝融号发现含盐沙丘表面存在低温卤水活动痕迹（龟裂纹与结壳）。

2. 地下封闭系统：

   南极冰盖下20公里处雷达亮斑（MARSIS探测）可能为盐度＞20%的卤水池，冰盖压力与地热共同维持液态。

   当前主要问题聚焦于火星地壳内是否封存液态水，最新研究基于NASA 洞察号（Insight）任务的地震波和重力数据，2024年8月发表论文揭示火星中地壳（11.5~20km深度）可能存在大量液态水。

注：ZL（Zettaliter）：泽升，$1\ ZL=10^{21}L$，约为地球海洋总水量的750倍，主要用于天文学领域，描述天体液态水储量。

NASA地外海洋世界探索规划

1. 计划背景

政策驱动

• 2016年美国国会法案：明确要求NASA建立“海洋世界探索计划”，旨在太阳系内搜寻现存生命；

• ROW工作组成立：由NASA行星科学部授权，70-80名地球海洋学与行星科学专家组成；

• 核心使命：构建科学框架，制定未来数十年海洋世界探索路线图。

地外海洋世界定义

• 已确认：木卫二、木卫三、木卫四、土卫二、土卫六；
• 候选对象：海卫一、冥王星、谷神星、土卫四等；

2. 科学目标

阶段I：识别地外海洋世界

• 直接采样与物理探测法：火星探测车（如毅力号）钻取岩石样本，通过质谱仪检测水合矿物及有机物，洞察号通过地震仪探测地下水信号，欧罗巴快船计划穿透冰壳采样地下水。

• 光谱分析法：水分子在特定波长（如1.4μm、1.9 μm、2.7 μm）有强吸收峰，通过分析行星反射或发射光谱中的吸收特征，可识别水冰、水蒸气或液态水的存在。哈勃望远镜和詹姆斯韦伯望远镜分析地外天体大气光谱。

• 遥感与地质探测法：雷达波穿透冰层或干燥地表，通过回波信号分析地下介电常数异常（液态水介电常数显著高于冰或岩石），卡西尼号雷达探测到甲烷湖泊及地下水。

• 间接环境指标法：导体（如咸水海洋）在磁场中运动产生感应场，木卫二磁场数据表面地下水的存在，欧空局JUICE任务搭载磁强计探测木卫三。

阶段II：表征海洋特性

阶段III：评估宜居性

实现从找水到寻找能量代谢的探测目标转变，验证液态水/烃类的持续存在、CHNOPS等关键元素的浓度以及氧化还原代谢路径的可行性，最终通过原位测量氧化还原电位、盐度剖面及代谢产物锁定高优先级探测目标（如土卫二羽流区、木卫二热液区）。

阶段IV：搜寻生命

• 探测生物标志物：形态学（显微成像）、代谢产物（同位素分馏）、大分子（DNA/脂质）；
• 探测器场景：轨道器进行羽流成分分析，着陆器进行原位质谱探测，穿透器进行地下水采样。

重点探测目标和任务规划

图 8 已发射及计划发射的海洋世界探测器

3. 面向行星探测的水下机器人发展现状

• 生命探测焦点：木卫二、土卫二因具备液态水+热源+有机物，成为欧空局JUICE（2031抵达）和NASA蜻蜓号（2034抵达土卫六）的核心目标。

三级探测策略

冰壳层探测（50-200km深度）

• 目标区域：盐水囊、冰裂隙、冰下湖；

• 关键技术：

  • 热-机械混合破冰：核电源废热软化冰层 + 机械钻头穿透（图 9 EAC载体）；
  • 原位显微成像：激光共聚焦显微镜检测微生物膜结构；
  • 冰芯质谱分析：检测氨基酸手性偏置（L/D＞20为生物标志）；

冰-水界面探测

• 高潜力区：氧化剂（H₂O₂）与还原剂（H₂S）交汇区；

• 创新方案：

  • 碟形AUV（EAO）：贴附冰层底面扫描；
  • 拉曼-荧光联用：同步检测有机物官能团与微生物代谢活性；
  • 流体芯片实验室：实时分析核酸片段（＞500bp为生命证据）；

海底热液区探测

• 目标特征：黑烟囱、碱性热液喷口
• 技术突破：
  • 球形耐压壳体：碳纤维复合材料（抗压150MPa）
  • 声学SLAM导航：通过海底地形匹配实现无GPS定位
  • 原位DNA测序：MinION测序仪检测rRNA保守序列

图 9 面向地外海洋探测的机器人三层部署图

SWIM （Sensing With Independent Micro-swimmers）水下集群机器人项目

图 10 SWIM水下机器人原型机

图 11 SWIM任务流程示意图

• 目标：木卫二（快船Clipper探测器2030年抵达后，SWIM作为后续任务）。探索太阳系内冰卫星的液态海洋（如木卫二、土卫二），搜寻生命迹象。

• 核心创新：利用微型机器人集群进行分布式探测。

• 技术亮点

  • 尺寸：手机大小（最终版约12厘米，当前原型42厘米）。
  • 推进方式：双螺旋桨驱动 + 四舵片转向。

• 功能：

  • 自主执行“割草机式”勘探路径；
  • 通过水下声学通信实现集群协作与定位。

• 关键突破

  • 自主性：原型在水池测试中成功完成无人工干预的机动任务（如拼写“JPL”）。
  • 微型传感器（佐治亚理工学院开发），单芯片集成温度、压力、酸碱性、电导率、化学成分检测功能。

• 集群优势

  • 模拟显示：12个机器人分4-5波次投放，可覆盖约86,000立方米水域（相当于大型泳池）。
  • 高效探测：算法优化能源分配（电池续航≤2小时），提升数据收集效率。

此项目标志着NASA在水下自主机器人集群技术的关键突破，为2030年代探测冰卫星海洋奠定基础。

4. 参考文献

[1] Baker V R, Dohm J M, FairØn A G, et al. Extraterrestrial Hydrogeology[J]. Hydrogeol J, 2005

[2] Henin B. Exploring the Ocean Worlds of Our Solar System[M]. Cham: Springer, 2018

[3] Zhou J, Ding C, Xiong S, et al. Radar Observations of Liquid Water in the South Polar Region of Mars: Indications from Astrobiology Perspectives[J]. 2024

[4] Shematovich V I. Ocean Worlds in the Outer Regions of the Solar System (Review)[J]. 2018,52(5)

[5] Wright V, Morzfeld M, Manga M. Liquid Water in the Martian Mid-Crust[J]. 2024,121(35)

[6] R H, A H, M B, et al. The NASA Roadmap to Ocean Worlds[J]. Astrobiology, 2019

[7] Wang B, Qin H. An Icy Worlds Life Detection Strategy Based on Exo-AUV[J]. 2024