冰冻。辐射。荒凉。生命？

布兰妮·施密特抓住她1977年产Datsun 280Z变速杆顶部的磨损的银色骷髅头，加速驶上奥斯汀市外的I-35公路向南。轰鸣的引擎暂时盖过了音响里播放的重金属音乐，但施密特仍热情地盖过了两者的声音。这位30岁的行星科学家有很多爱好，从陀思妥耶夫斯基的社会评论到Metallica的歌词，但无一能比得上她对外星生命的痴迷。尽管她所寻找的外星生命相当不性感——可能只是一些漂浮的微生物——但它们的发现将是惊人的。她知道，如果生命可以在两个世界上独立出现，那么它很可能在宇宙中无处不在。

要孕育生命，一个外星世界必须满足三个基本要求。首先，它必须有一个持续且充足的能量来源。其次，它需要合适的成分：大量的分子，如过氧化氢或二氧化硫，它们在构成生命基础的化学反应中起着至关重要的作用。最后，它必须有水。那么，在哪里可以找到这三者呢？

当施密特那辆昵称“佐罗”的电蓝色Datsun稳定在高速公路中间车道时，她迅速排除了几个流行的说法。许多科学家青睐土星的卫星土卫六，它有甲烷湖，甲烷是一种可以产生生命基石的有机分子。“也许吧，”施密特说。“化学过程很有趣。但能量在哪里？”目前尚不清楚土卫六是否有足够的热量来支持生命。火星只是稍微好一点。“它可能曾经有生命，但同样，能量在哪里？”她问道。

然后施密特转向她最喜欢的：木星的卫星木卫二。木卫二比地球的月球略小，乍看之下可能不是一个理想的摇篮。其表面温度很少超过零下260华氏度，而且完全被一层厚达10英里的冰壳覆盖。尽管如此，施密特说木卫二是太阳系中唯一明确满足生命所有三个条件的地方。虽然距离太阳5亿英里，但它受到强大的木星引力强烈的拉扯，使这颗卫星内部变暖。木卫二的表面散布着生命所需的硫磺和过氧化物等分子。最棒的是，冰壳下存在一个深约50英里的液态水海洋。

天文学家们对木卫二的生物“三位一体”已了解近二十年，但一直存在疑问：木卫二要支持生命，表面的关键分子需要与下面的水和能量混合，而这两者之间横亘着一块巨大的冰层。去年底，施密特和德克萨斯大学奥斯汀分校的地球物理学家唐·布兰肯希普在《自然》杂志上发表的一篇论文解决了这个问题。他们证明，冰壳很可能不是一道坚硬的屏障，而是一条不断搅动的传送带，能够将有利于生命的分子从寒冷的表面输送到更深处更宜居的环境。

施密特的研究表明，木卫二冰壳内，或许还有隐藏的海洋中，可能充满了微生物——这一发现将这颗迷人的卫星推向了寻找外星生命的下一站。


解读混沌


伽利略·伽利莱于1610年用他自制的望远镜发现了木卫二，但直到1972年，天文学家才认识到这颗卫星的生命潜力。那一年，麻省理工学院研究生卡尔·皮尔彻将麦克马斯太阳望远镜对准木卫二。该望远镜配备了一个测量反射回地球的不同波长光的谱仪，使他能够确定木卫二的组成，并证明其表面是广阔的冰冻水。

一旦得知木卫二上有水，科学家们就开始探索其中是否存在液态水。几年后，他们收到了令人鼓舞的消息，当时研究人员创建了第一个详细的计算机模型，模拟早期太阳系中旋转的尘埃和碎石如何凝聚形成我们今天看到的行星和卫星。根据木卫二的大小和与太阳的距离，模型表明它应该有一个金属核心，一个环绕核心的岩石地壳，以及一层厚达60英里的盐水冰层将它们包裹起来。但木卫二位于太阳系最大行星旁边的位置引入了一个令人兴奋的未知因素。许多物理学家预测，当木卫二在椭圆轨道上靠近木星时，木星对其施加的强大引力，以及随后远离木星时的释放，会产生摩擦和热量——科学家猜测，这些热量足以使盐水层底部约50英里的水完全融化。

天文学家们不得不等待二十年才能验证这些预测，但当美国宇航局的伽利略号探测器于1995年进入木星轨道时，木卫二没有让人失望。伽利略号证实了木卫二地下液态海洋的存在。此外，探测器的光谱仪比皮尔彻的地面工具收集到更详细的数据，揭示了表面富含硫、二氧化硫和其他生命必需物质。伽利略任务证明木卫二满足了支持生命的三个条件。但这一发现再次伴随着一个重要的星号：木卫二厚厚的冰壳。仍然没有明确的证据表明上述化学成分能够到达下面有益的环境。

如果科学家们希望找到一条明确的路径，让分子能够从表面进入深处，那么伽利略号传回地球的图像并没有揭示这一点。相反，它们描绘了一个太阳系中独一无二的令人困惑的景观。这个团队，其中包括布朗大学的一位年轻行星科学家罗伯特·帕帕拉多，观测到横跨木卫二表面的山脊和巨大的裂缝，将其分割成小城市大小的板块。有些部分像新修整的冰球场一样光滑；另一些则看起来像是被一把巨大的宇宙斧头砍碎了。少数高分辨率照片显示了一些区域，其中有巨石大小的冰块和高耸的椭圆形冰丘，它们比周围环境高出数百码。这些区域如此令人困惑，以至于帕帕拉多和他的团队称之为“混沌地形”。

木卫二混沌的表面对于寻求生命的研究人员来说，喜忧参半。冰壳并非仅仅是一块扁平、静止的板，阻碍着各个区域之间的相互作用。然而，科学家们缺乏任何可以解释这些裂缝和圆顶形成的模型，也缺乏任何关于表面和海洋之间可能存在的化学交换以维持生命的可靠想法。如果他们能理解这种混沌，他们就能揭示生命可能如何产生的机制。

通往木卫二之路

大约在伽利略号照片让帕帕拉多着迷的同时，13岁的布兰妮·施密特正在她亚利桑那州家附近的一片田野里观星。她记得通过学校天文俱乐部10英寸的望远镜看到了木星的四颗最大卫星，包括木卫二，并热情地（虽然不完全科学地）得出结论，它们“非常棒”。她也是一个如饥似渴的读者，她迅速读完了一本关于宇宙大爆炸的书，把它展示给她的宗教教育老师，然后说：“看，这难道不更合理吗？”

作为一名重金属摇滚乐迷，施密特追求那种直言不讳和寻求真理的精神。她从文学世界开始她的探索，于2000年进入亚利桑那大学主修英语。但到了大二，她因无聊而头疼不已。在春季学期的选课临近时，她考虑转到芝加哥的音乐学校，学习足够多的知识来为《滚石》和《旋转》等杂志报道乐队。然而，她决定给亚利桑那大学最后一次机会，选修了各种学科的课程，希望其中一门能吸引她。

其中一个盲目的尝试命中了靶心：一门由行星科学家罗伯特·布朗教授的关于宇宙生命的课程。从第一天开始，布朗对泰坦、火星以及其他太阳系中行星上生命前景的解释，给施密特留下了近乎精神上的印象。“我希望我们能思考得更广阔，超越自我，理解我们在宇宙中的位置，”她说。

学期开始几周后，布朗描述了一个看似神话般的地方，名叫木卫二，一个冰冻的荒地，却隐藏着一个可能充满生命的广阔海洋。“我惊呆了，竟然有这样一个地方，我以前从未听说过这些，”施密特说。就像她多年前上宗教课一样，她不满足于仅仅听取和接受。她开始不停地向布朗提问关于木卫二的海洋、冰壳以及其表面的分子。布朗对施密特的好奇心和独立精神印象深刻，以至于在学期末，他让她坐在自己的办公室里，告诉她如果她不从事行星科学，就是在浪费时间。“她是一个非常有上进心的人，”布朗说。“她是一股力量。”

冰块会沉入海洋，可能将生命所需的成分也带下去。

施密特不需要时间思考。她将专业转为物理学，并自愿参加了一个研究项目，分析伽利略号拍摄的木卫二冰块图像。到2005年施密特大学毕业时，她已经知道自己想要解决木卫二混沌冰壳的谜团。她坚信，如果太阳系其他地方存在生命，那一定是在那个冰壳之下，她想弄清楚它是如何运作的。

不幸的是，施密特的时机非常糟糕。同年，NASA削减了一项名为“木星冰卫星观测器”的数十亿美元任务的资金，几乎取消了所有关于木卫二研究的研究生职位。她只好接受加州大学洛杉矶分校的邀请，研究另一个冰质天体，一个不那么引人注目的小行星，名叫智神星。

但施密特的思绪从未远离木卫二，2007年初，她终于找到了一个追求热情的机会。一位同事告诉她，附近的帕萨迪纳喷气推进实验室（JPL）正在召开一系列会议，开始规划一项探索木卫二的旗舰任务。这些会议仅限于由帕帕拉多（他已成为JPL著名的木卫二科学家）领导的少数专家，但这并不能阻止施密特。木卫二科学的未来近在咫尺，由她来决定，这让她太兴奋了——而且她从不羞于提问。

施密特给帕帕拉多发了电子邮件，询问她是否可以参加。“我基本上是说：‘我能做些什么才能进去？你需要有人泡咖啡吗？你想擦鞋吗？我可以做笔记吗？’”一开始，帕帕拉多不确定该如何回应。他从未听说过有科学家，甚至是研究生，自愿做杂务。这个团队咖啡充足，而且天文学家通常更喜欢登山靴而不是擦亮的皮鞋。但他认为，笔记会很有用。

很快，施密特就定期跳上她那辆忠实的老车“佐罗”，打开Metallica的音乐，驱车45分钟前往帕萨迪纳。她在房间一角打着字，听着科学家们试图理解木卫二神秘的表面。主要模型来自帕帕拉多。他提出，由于来自下方海洋的加热以及上方数英里厚的冰层的巨大压力，木卫二冰壳的底层会比顶层稍微温暖。热量上升，因此这块冰也会上升。他认为，温暖的冰块会逐渐浮起并冲破冰壳，在表面形成高耸的冰穹。同样，上方较冷的冰块会沉入海洋，可能将生命所需的成分一同带下去。这个模型很有说服力，但木卫二表面仍有许多奇怪的特征，比如裂缝和冰山，是帕帕拉多的模型无法完全解释的。

其他委员会讨论集中在航天器需要哪些仪器来研究木卫二的冰层。对于这个话题，科学家们求助于唐·布兰肯希普，一位德克萨斯大学的地球物理学家和冰川学家，他拥有数十年的经验，使用强大的雷达分析南极洲的冰盖和冰川。施密特立刻被布兰肯希普吸引，因为他是一个局外人，一个房间里挤满了行星科学怪人的“冰人”。她也能看出，尽管布兰肯希普是所谓的雷达专家，但他实际上是为了知识而来。他想了解冰，想知道木卫二是否是另一个南极洲。“对于一个仅仅因为求知欲而呆在房间里的人来说，有些话是值得说的，”她说。“那就是唐。”

施密特在会议上一直把手放低，清楚自己的角色。而在附近酒店酒吧的非正式讨论环节，情况就不同了。在许多个夜晚，喝着许多啤酒，她向布兰肯希普连珠炮般地提问。她想知道他去南极洲的经历，以及携带强大雷达的探测器是否真的能揭示木卫二的秘密。但最重要的是，她想知道帕帕拉多关于木卫二冰盖的模型是否与他近30年研究地球冰层所学到的知识相符。

布兰肯希普告诉她，虽然他同意帕帕拉多模型的基本原理，但他不认为温暖的冰块能一直到达木卫二的表面。相反，根据他在地球冰架上看到的现象，他猜测温暖的羽流会融化它们上方的冰，在冰壳内形成液态水囊。他推测，来自上方冰层巨大压力的水会以奇怪的方式流动——水平甚至向上，似乎违背了重力。这些概念很难理解，但施密特意识到它们对于理解木卫二这样的冰世界至关重要。

在与布兰肯希普多次交谈后，施密特确信帕帕拉多和他的团队在试图解决混沌之谜时，忽视了一个重要的知识来源：冰川学。如果她想弄清楚木卫二上是否存在生命，她就必须把自己变成地球冰层方面的专家。因此，在2009年底完成她的论文时，她写信给布兰肯希普，请求在他的实验室工作。“很多人认为我读完小行星博士学位后，再申请地球科学小组是疯了，”她说。就布兰肯希普而言，他通常只为他的南极任务聘请地球物理学家和电气工程师；木卫二更多的是一个私人的副项目。但施密特提出的解决冰壳之谜的建议太诱人了，不容错过。2010年1月，布兰肯希普给她提供了一个职位。“我们决定开始工作，”他说。

冰中的信息

2010年7月，施密特搬到奥斯汀后，大学为她在布兰肯希普办公室隔壁几扇门处安排了一间办公室。她如饥似渴地研读冰川学论文，背诵了描述深埋水和冰在压力下如何流动的方程，并向布兰肯希普的团队提出了大量关于地球上冰如何运作的问题。“我的计划是利用地球上的例子来解释我们在木卫二上看到的一切，”她说。

三个月后，施密特加入了布兰肯希普的团队，前往南极洲600平方英里的麦克默多冰架执行研究任务。现在她终于亲眼看到了她一直在学习的现象。乘坐一架改装的DC-3军用飞机飞越冰面，看到巨大的冰山和绵延数英里的裂缝像冰冻的闪电一样撕裂着表面，她不禁想起数亿英里之外木卫二上的混沌地形。“对于一个痴迷于冰的人来说，身处一个被冰覆盖的地方真是太棒了。感觉就像置身于木卫二上，”她说。

随着她的南极冒险接近尾声，施密特感到一种抑郁感袭来。更糟糕的是，在她回到奥斯汀不到两周后，即12月14日，她原定要在旧金山举行的美国地球物理联盟（AGU）会议上概述她的研究。“我吓坏了，”她说。然而，她在校园的第一天发生了一些奇怪的事情。那种抑郁和恐惧的结合——更不用说24小时飞行带来的严重时差——产生了一种她现在称之为“麦克默多高潮”的精神状态。“时间简直就像慢了下来，”她说。“每小时都感觉像一天。我从未如此高效过。”

施密特把自己关在小办公室里，打开她万无一失的Metallica音乐，帮助她集中注意力，开始思考温暖的冰羽如何穿过木卫二的冰壳。布兰肯希普认为，温暖的冰在上升过程中会融化一些上方的冰，在冰壳内留下液态水囊。施密特的挑战是弄清楚这些水接下来会做什么。

解开谜团

简单的假设是，任何温暖的液态水囊都会向下通过冰层流失并重新冻结，但施密特阅读了足够多的研究，知道这在木卫二上不会发生——下面的冰层太厚，几乎是不可渗透的。相比之下，水上方的冰层会变得相对不稳定，其基础被逐渐渗入的水融化。根据这个逻辑，施密特得出结论，每个水囊上方的冰盖最终会塌陷，坠入下方的液体中。通过一些计算，她发现大量的水可以被困住数千年甚至更长时间，四周都被厚厚的隔热冰层包裹。

施密特知道她的见解对生命具有重大意义。她提出木卫二的海洋并非其唯一的液态水源；这颗卫星还隐藏着更靠近表面重要分子的湖泊，可能近到足以支持微型宜居生态系统。但如果她要说服她本能地持怀疑态度的同事，她就必须证明这种过程确实可能发生。她需要通过研究地球上的类似特征来支持关于木卫二的假设。

施密特冲到走廊尽头，穿过贴在柱子上三英尺高的、色彩斑斓的伽利略号拍摄的木卫二破碎表面照片蒙太奇，然后闯进了布兰肯希普的办公室。她总结了她的推论，并问这种事情是否可能发生在地球上。他透过眼镜瞥了一眼，回答说：“格里姆瑟姆（Grimsvotn）。”

在冰岛，格里姆瑟姆火山深埋于冰盖之下数英里，它以与上升的羽流可能融化木卫二冰壳相同的方式融化其上方的冰盖，导致冰岛冰盖表面塌陷。回到她杂乱的办公桌前，施密特谷歌搜索了格里姆瑟姆，并找到了一些相关的论文。照片显示了一个塌陷、破碎的表面，与木卫二的一些混沌区域惊人地相似。“我几乎要换气过度了，”她说。

两周的窗口期结束了，尽管她还有很多工作要做，施密特和布兰肯希普还是迅速讨论了她的模型，并飞往旧金山参加AGU会议，在那里她向大约100名科学家展示了她的模型。她的演讲受到了好评，尽管一些与会者指出她的模型，像帕帕拉多的一样，并不完整。仍然有很多混沌特征需要解释。

这是公正的批评，但施密特并没有停止分析她的木卫二湖泊，她觉得这或许能解释月球所有混沌的地形。几天后，回到办公室的白板前，她思考着每个湖泊上方坍塌的冰层，上面布满了像格里姆瑟姆上方那样的巨大裂缝。她意识到，如果任何裂缝深入到冰层足够深，湖中的水就会突然有地方可去。它会被迫进入坍塌冰层的裂缝中，然后向上流动，流向表面。

施密特对水的追踪越深入，她的模型就越引人注目。她推测，在几周、几年甚至几千年的时间里，向上渗透的水丝会重新冻结。当它们冻结时，它们也会膨胀，就像冰块在冰箱里膨胀一样。这将对周围的冰造成破坏。水在裂缝中冻结会使冰层裂开，导致巨大的冰山崩裂。

接着，冰山会挤压周围光滑的冰层，形成破碎、扭曲的冰区。这些区域，充满了小裂缝和缝隙，会从下方吸取更多的水，然后这些水会冻结膨胀成高耸、坚固的冰穹——这是木卫二之谜的最后一块拼图。通过简单地追踪水如何融化、迁移和重新冻结，施密特在南极之行后的短短几个月内，提出了迄今为止最完整的冰卫星混沌表面模型。

经过数月的微调，施密特和布兰肯希普于去年11月在《自然》杂志上发表了他们的模型。帕帕拉多最初持怀疑态度，直到施密特在他和其他喷气推进实验室的木卫二专家面前展示了它。“所有碎片都开始契合在一起，”他现在说道。

猎寻外星人

媒体立即蜂拥而至，关注木卫二的湖泊。施密特已经证明，它们可以在木卫二表面下一两英里处存在，深度足够浅，科学家们可以合理地想象钻穿冰层并进入它们。这些湖泊也可能是生命的温床，因为当冰层崩塌时，嵌入在表面冰中的分子可以很容易地倾倒入水中。施密特的论文特别指出木卫二上一个名为Thera Macula的混沌区域，那里可能隐藏着一个湖泊，其水量相当于所有五大湖的总和。

然而，对于施密特来说，这些湖泊本身并不是大发现。她真正的突破在于找到了木卫二表面分子能够与湖泊中的水和能量，甚至可能与更深广阔的海洋结合的机制。“你有这些暖水向上移动，”她说，“但与此同时，所有富含化学物质的重而冷的冰块正在被推向海洋。”她的模型将冰盖描述为一个热驱动的传送带，使得生命的三要素——水、能量和化学物质——能够同时同地存在。“我们基本上是在暗示冰就像一台洗衣机，将所有这些成分混合在一起，”施密特说。“这让我和许多其他人非常兴奋。”

随着施密特的工作重新激发了该领域的热情，帕帕拉拉多和他的团队已经草拟了新的木卫二探测任务提案。其中一个方案要求派遣一艘航天器，详细绘制表面地图并测量地下海洋的深度和盐度。另一个方案则将围绕木星运行，并完成30多次木卫二飞越，利用穿冰雷达探测冰壳。

这些任务每个耗资约20亿美元，价格不菲，特别是考虑到NASA最近倾向于多项小型任务而非一两项大预算任务。但帕帕拉多认为，引人入胜的科学，加上NASA同样昂贵的火星探测器“好奇号”最近取得的成功，可能会说服该机构改变其战略。要获得关于木卫二生命的确切答案，将需要着陆和钻探——这远远超出了目前的预算和技术。至少，木卫二将迎来欧洲航天局的访问。今年5月，欧洲航天局批准了木星冰卫星探索者号，这枚探测器计划于2022年发射，将测量木卫二冰壳的厚度。

与此同时，施密特和其他木卫二专家正在尽一切努力为重返木卫二做准备，他们通过研究地球上的平行环境。为了了解外星栖息地如何在活跃、搅动的冰壳内发展，施密特和布兰肯希普计划从本月开始，将机器人探测车送入麦克默多冰架下的小湖泊中。

施密特说，有理由相信那些寒冷、受压的水坑能够支持多样化的生物群落。对她来说，发现外星生命就是一切。这就是为什么她不停地工作，痴迷于木卫二，将几年的工作压缩到一年之内。“我一直在飞速前进，但原因是我希望在我有生之年能知道答案，”她说。“如果有人发现了什么在蠕动的东西，那将是非常非常好的。”

地球上的木卫二

科学家们可能需要多年才能直接探索木卫二冰层之下，但在此期间，他们可以探索沃斯托克湖，这是一片隐藏在南极洲厚厚冰川下的广阔水域。今年2月——就在布兰妮·施密特提出木卫二厚冰壳内存在冰下湖泊的可能性之后仅仅三个月——俄罗斯科学家宣布他们已经钻穿冰层到达了沃斯托克湖。与木卫二上推断的湖泊一样，沃斯托克湖位于地表冰壳下约两英里处，并由于上方巨大质量的挤压而保持液态。施密特的同事唐·布兰肯希普表示，他将密切关注沃斯托克湖的水在这种压力下如何流动，因为这将揭示生命成分在木卫二湖泊中相互作用的容易程度。其他科学家则对沃斯托克湖上方寒冷的表面感兴趣，那里将作为设计用于在木卫二上钻探和寻找隐藏生命的自主机器人的理想测试场地。——G.M。

格雷戈里·莫内是《发现》杂志的常客，也是《关于圣诞老人的真相：虫洞、机器人和圣诞前夜的真实故事》的作者。