彗星是否能将生命的构成要素带给木卫二土卫二和土卫六等海洋世界

纵观地球历史，地球表面经常受到彗星、流星和偶尔出现的大型小行星的撞击。虽然这些事件往往具有破坏性，有时甚至会引发大规模灭绝，但它们也可能对地球生命的出现发挥了重要作用。在冥古代(约41亿至38亿年前)和后期重轰炸期尤其如此，当时地球和太阳系内的其他行星受到了异常多的小行星和彗星的撞击。

人们认为这些撞击物是水被运送到太阳系内部并可能成为生命基石的途径。但是太阳系外部的许多冰体，即围绕气态巨行星运行的天然卫星，其内部有液态水海洋(例如木卫二、土卫二、土卫六等)又如何呢?

根据约翰霍普金斯大学研究人员最近领导的一项研究，这些“海洋世界”上的撞击事件可能对表面和地下化学产生了重大影响，从而可能导致生命的出现。

该团队由行星科学家ShannonM.MacKenzie及其在约翰霍普金斯大学应用物理实验室(JHUAPL)的同事领导。其他研究人员来自达特茅斯学院塞耶工程学院、西安大略大学、科廷大学地球与行星科学学院、阿雷西博UPR行星宜居实验室(PHL)、雅各布技术公司、NASA喷气推进实验室以及NASA约翰逊航天中心天体材料研究与探索科学(ARES)。

外生

正如他们的论文所指出的，小行星、彗星和大型流星的撞击往往与毁灭和灭绝级事件有关。然而，多种证据表明，这些相同类型的撞击可能支持了大约40亿年前地球上生命的出现。

这些事件不仅产生了挥发物(如水、氨和甲烷)和有机分子，现代研究表明，它们还产生了生命所必需的新底物和化合物。

此外，它们还创造了各种对地球生命的出现和维持至关重要的环境。正如研究人员所写：

“据估计，外源物质是早期地球上有机物的重要来源。冲击波可以为诸如HCN或氨基酸等重要前体的有机合成提供能量。

“来自非常大的撞击体的铁和热量可以促进产生大量HCN所必需的还原大气条件。撞击会造成破裂，在典型的陆地事件中，还会融化目标：更具渗透性的基质和更深的岩层的挖掘促进了热液活动和内生栖息地。”

根据最新的化石证据，地球上最早的生命形式大约出现在42.8亿年前。这些化石是从加拿大魁北克省北部努夫瓦吉图克绿岩带的热液喷口沉淀物中发现的，证实了热液活动在地球生命的出现中发挥了至关重要的作用。

但是，外太阳系中的众多“海洋世界”又如何呢?其中包括木卫二、木卫三、土卫二和土卫六等天体，以及天王星的卫星天卫一和天卫三、海王星的卫星海卫一，以及冥王星、卡戎等外海王星天体，可能还有更多。

“海洋世界”上潜在冰质和岩石撞击体的撞击速度和首次接触压力估计。图片来源：行星科学杂志(2024)。DOI：10.3847/PSJ/ad656b

海洋世界

该术语指的是主要由水等挥发性元素组成的物体，分为冰壳和岩石金属核。在核幔边界，潮汐弯曲(与另一个物体引力相互作用的结果)导致热量和能量通过热液喷口释放到冰中。

这使得这些星球的内部能够保持液态水海洋。简而言之，这些星球拥有生命所需的所有成分：水、必需的化合物和能量。

此外，NASA/ESA卡西尼-惠更斯号任务的数据证实，土卫二南极地区定期喷发的羽状物含有有机分子。最后但同样重要的是，表面陨石坑的存在表明这些天体在其整个历史上都经历过表面撞击。

问题自然而然地出现了：撞击是否能像将生命的基本构成要素送往太阳系内部一样，将生命的基本构成要素送往“海洋世界”?如果是这样，这对它们目前的潜在宜居性意味着什么?正如研究小组在论文中写道：

“撞击过程可能是这些问题答案的重要组成部分，因为撞击可以通过冰壳推动交换——无论是通过直接播种还是通过地壳冲刷——从而推动有机和无机材料从表面和/或撞击体本身间歇性地涌入。撞击还可以产生短暂的微观世界：撞击过程中融化的任何液态水都会在与撞击能量相称的时间尺度内冻结。”

“这些小行星内部的化学潜力令人激动，从浓缩盐到驱动氨基酸合成，都已得到证实。此外，冰冷、有时富含有机物(尤其是在土卫六的情况下)的目标物质的冲击驱动化学反应可能会在熔池中产生新的‘种子’化合物(例如氨基酸或核苷酸)。”

调查

麦肯齐和她的团队的第一步是调查最常见的撞击对海洋世界造成的初始冲击水平——彗星可能来自柯伊伯带和奥尔特云。为此，该团队计算了涉及冰和岩石天体的撞击将达到的速度和最大压力。

他们还考虑了不同撞击家族(初级撞击或次级撞击)以及涉及哪些系统(例如木星或土星)时，撞击会有何变化。初级撞击涉及彗星或小行星，而次级撞击则由它们产生的喷出物引起。

就木星和土星系统而言，次级撞击体可能是冰质的，也可能是岩石的，具体取决于它们的起源地(冰质天体，如木卫二、土卫二和土卫六，岩石天体，如木卫一和更大的小行星)。初级撞击速度更快，产生的熔融体积更大，而次级撞击则更为频繁。

为了确定熔融尺寸，研究小组参考了木卫二、土卫二和土卫六上观测到的陨石坑尺寸，以及计算陨石坑随时间累积速率的动态模型。然后，他们将撞击时的峰值压力与之前研究中确定的生命必需元素、有机分子、氨基酸甚至微生物的存活阈值进行了比较。

假设以太阳为中心的彗星撞击的累积陨石坑形成率。图片来源：行星科学杂志(2024)。DOI：10.3847/PSJ/ad656b

由此，他们确定木卫二和土卫二遭受的大多数撞击的峰值压​​力都高于细菌孢子的存活压力。然而，他们还确定，仍有大量物质在这些撞击中幸存下来，较高的首次接触压力也可能促进陨石坑中融水中有机化合物的合成。

与此同时，平均而言，土卫六和土卫二遭受的撞击速度较低，产生的峰值压力在细菌孢子和氨基酸的耐受范围内。

下一步是考虑新陨石坑能存活多久，以及这是否足以合成生物材料。根据土卫二和木卫二上观测到的陨石坑大小，他们确定寿命最长的陨石坑只能存活几百年，而土卫六上的新陨石坑可能需要几个世纪到几万年才能冻结。

虽然木卫二和土卫二遭受了更多的高速撞击(由于土卫六稠密的大气层)，但土卫六陨石坑的长寿命特性意味着这三个天体都有机会进行有机化学实验。

他们还考虑了木卫二​​、土卫二和土卫六的地表重修率，以及这些地表重修率如何将生物物质循环到其内部。在这三颗卫星中，它们的地表都相对“年轻”，这意味着地表重修事件会定期发生。

结果

基于这些考虑，麦肯齐和她的团队确定，彗星撞击木卫二、土卫二和土卫六产生的融化现象频繁且持续时间长，足以引起天体生物学的兴趣。然而，这取决于彗星的成分和所讨论的表面冰。他们总结道：

“在木卫二和土卫二，撞击体有机物的存活和沉积更为重要，因为冰壳内形成熔池的表面有机物较少。在土卫六上，磷等元素的存活可能更为重要。

“因此，即使是较小、更频繁的撞击事件，也会通过将较少改性的化合物输送到表面，为天体生物学潜力做出贡献，这些化合物可以在产生熔化时立即发生反应，也可以用于未来的处理(包括后续的撞击事件)。”

例如，他们发现，一颗彗星以平均撞击速度撞击木卫二，将形成一个直径15公里(9.3英里)的陨石坑，并提供约1立方公里(0.24立方英里)的融水。

根据在67P楚留莫夫-格拉西缅科彗星上发现的甘氨酸(一种必需氨基酸)的丰富程度，他们确定每百万分之几的甘氨酸会留存下来——比在地球热液喷口周围观测到的甘氨酸含量大约高出三个数量级。

他们补充道：“因此，撞击器会在熔体中播下任何化学反应的种子，并根据撞击器的成分提供有机元素和其他必需元素。”

虽然这并不一定意味着这些和其他“海洋世界”目前适合居住或积极支持生命，但它们显示出未来研究的潜力。

未来几年，欧洲航天局的木星冰卫星探测器(JUICE)和美国宇航局的欧罗巴快船和蜻蜓号等任务将分别抵达木卫三、木卫二和土卫六。此外，还计划建造一个土卫二轨道器，以继续卡西尼-惠更斯探测器的探索，更仔细地观察土卫二的羽流活动。

因此，对这些卫星进行现场采样和分析可以为了解生命起源前的化学途径提供有力的见解，并确定生命在什么条件下可以出现。这些样本研究还将解决更大的问题，即生命是否可能存在于“海洋世界”的内部，为未来准备探索冰层下方的任务提供预览。