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赏金总量：35 USD
研究种类：Space Exploration，Ice in Space
原文作者: The Universe Space Tech
创作者：Tan Zhixuan@DAOrayaki.org
审核者：Wonder@DAOrayaki.org
原文: Ice as an indication of life
宇宙中最常见的化学元素是氢，且以原子形式和双原子分子（H2）的形式存在。据估计，在银河系内，每一百万个原子中就有739000个氢原子，占比达到了 74% 左右。恒星和巨行星主要由氢气组成。
木卫二的表面冰层有着大量的棕色或橙色的裂缝。正如你知道的，这种颜色是由这颗卫星的亚冰洋（sub-ice ocean）中所包含的盐类，受太空辐射影响下呈现的。来源：美国国家航空航天局（NASA）
第二种最常见的元素是氦。一部分的氦是在宇宙大爆炸后不久的所谓“太初核合成”中形成的，另一部分是恒星内部热核反应的产物，为恒星提供了发光的能量。氦是惰性气体中反应性最差的一种：它只有在非常苛刻的条件下才会与其他元素发生化学反应，而且所产生的成分是极其不稳定的。所以，如果氢“希望”与什么东西结合，它很可能会与第三种最常见的元素“氧”结合（氧在银河系中的含量比氢和氦的总和还要少一百倍）。
有经验的读者马上就能说出这反应的产物是水——如果我们谈论的是“正常”的地球条件，那确实是对的。事实上，氧气和氢气的反应中，最初会产生的是羟基自由基OH。它可以在稀薄的星际气体云中存在多年。它必须进一步与另一个氢原子反应，才能得到我们所熟悉的H2O分子。当然，太空中的大部分水是以气态存在的。但是由于水分子中形成了氢键，即使在相对较高的温度下（在0.0摄氏度，或在273.15开尔文），它的分子可以形成复杂的结构，一般被称为冰。
结晶冰的结构
然而，大多数情况下，水的形态并不是我们在地球上常见的结晶冰。学界普遍认为太空中的大多数冰是无定形的，也就是说，它没有明确的结构。根据现代观念，自太阳系诞生以来，它一直以这种形式存在于彗星中，。科学家们希望在月球两极的冷阱（cold trap），也就是在环形山底部从未被阳光触及的地方，找到这种冰。
在冰晶中，水分子中的每个氧原子与两个氢原子形成两个普通的化学键。而且氧原子还与来自邻
近分子的另外两个氢原子相连，通过所谓的氢键，形成一个晶体网络。
为了让冰留在一个天体的表面，似乎只要它的温度低于0℃（273.15开尔文）就可以了，但事实并非如此。在真空中，即使是“零度”，冰也会很快蒸发，而且不仅仅是在真空中——想想湿衣服在寒冷的环境中是如何变干的：起初它很自然地变硬，但后来就不会有任何冻结的痕迹了。这就是为什么在行星科学中有一个“霜冻线 (frost line)”的概念。事实上，这只是一个假想的范围，超过这个范围，太阳热量就不再足以有效地蒸发冰。根据各种计算，在太阳系中，这一这范围的半径为2.7至3.1AU。(4-4.6亿公里)。
举一个有趣的例子，矮行星谷神星（1 Ceres）的轨道位于霜冻线附近。2015年，美国的黎明号自动装置研究了这个天体，它的赤道略微倾斜于轨道平面，因此在其赤道地区，表面上没有冰。但在两极附近，可以非常清楚地追踪到冰的迹象。
这张图片中的蓝色阴影显示了谷神星北半球表面岩石的含冰量，这是由美国宇航局黎明号（Dawn）飞船上的GRaND中子探测器看到的。资料来源：美国国家航空航天局（NASA）
太阳系中所有行星的卫星都在霜冻线（frost line）之外（但有几个例外，其中最著名的是木卫，也就是最接近木星的大卫星），且表面都有冰层。科学家们倾向于认为，在其他恒星的附近也能够经常发现类似的天体。如果它们的直径超过500公里，这意味着它们在形成时很可能已经过了全球海洋阶段（global ocean stage），所以它们现在并不是被无定形的冰覆盖，而是被我们在地球上看到的结构更强的结晶冰覆盖。
不幸的是，用远程的方法证明水构成的冰（water ice）在天体表面的存在是相当困难的。所以天文学家们正在寻找它存在的间接迹象，例如，气态的水（它可以以光谱的方法追踪），这是冰川的部分蒸发所带来的。使用星际飞行器所进行的近距离研究也可以告诉我们更多。木卫二是木星的四颗伽利略卫星中最小的一颗，是太阳系中最“圆”（spherical）的物体，它的直径为3122公里，与常规球体的偏差仅有几百米。事实上，它是一个巨大的“宇宙水滴”。木卫二的中心有一个石头核心，其表面覆盖着100公里厚的冰壳。测重研究表明，木卫二全球亚冰洋（global sub-ice ocean）的含盐量至少是地球上所有海洋总和的两倍。
恩克拉多斯（土卫二）是一颗直径500公里的土星卫星，是另一个有冰层覆盖海洋的天体。通过冰层的裂缝，土卫二的水会蒸发并以间歇泉的形式喷射到外太空，形成稀薄的土星光环。E-Cassini。资料来源：影像小组，SSI，JPL，ESA，NASA
从寻找我们星球以外的生命的角度来看，像欧罗巴（木卫二）这样的天体被认为是非常有希望的。它们的岩石核心中重元素的放射性衰变，以及潮汐作用（如果是其他天体的天然卫星或有自己的巨大卫星）可以为它们提供足够的能量，以让它们的核心长期保持液体状态。而这意味着天梯上有生物体出现和进化的条件，它们甚至可能与地球上的生物体相似（即由水溶液和碳化合物组成），而因此，我们将更容易发现它们。所以，欧罗巴很快将成为寻找地外生命的主要目标。在2023年，欧洲仪器JUICE（木星冰月探测器）应该会发射到那里。其任务之一是寻找生物迹象（biomarkers），即微生物生命活动的化学产物。
在许多在其恒星霜冻线之外运动的系外行星上，很可能存在着这种全球性的，由冰所覆盖的海洋。如上所述，就算在现代天文仪器的帮助下，我们几乎不可能将它们与无大气层的岩石性天体区分开来。但是它们的存在给我们带来了希望，宇宙中的生命也可能存在于所谓的宜居区（恒星周围的空间区域）之外，那里的温度条件有利于表面液态水的存在。实际上，为了让液态水存在，还需要满足几个额外的条件，那就是行星必须有足够密集的大气层，因此质量要大（至少是地球质量的四分之一）……这其实不难理解，“具有以上所有特征的系外行星“将比”独立轨道上或作为巨行星卫星的“冰球”被发现的次数少得多。
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