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來源：互聯網

土衛六[ Titan（moon）]，又名泰坦，是圍繞土星運行的一顆衛星。它是土星衛星中最大的一個，同時也是太陽系中第二大衛星，其直徑為5149.4千米，直徑比月球大近50%，質量為月球的1.8倍。在太陽系150多顆已知衛星中，土衛六是唯一一顆擁有濃厚大氣層的衛星。

1655年3月25日，荷蘭物理學家、天文學家和數學家克里斯蒂安·惠更斯發現了土衛六，是在太陽系內繼木星伽利略衛星后發現的第一顆衛星。1847年約翰·赫歇爾以神話中的泰坦巨人為其命名。研究表明，土衛六的形成可以追溯到原始星云形成時期。其內部結構主要為：巖石核心層—高壓冰殼層—液態水—水冰外殼層以及有機化合物層。土衛六的表面存在含有甲烷和乙烷等液態碳氫化合物的河流、湖泊和海洋，如安大略湖、克拉肯湖和麗姬亞湖。其大氣層主要由氮氣組成，其中氮占98.44%，甲烷占1.4%以及氫占0.1-0.2%。

太空時代，科學家先后通過哈勃空間望遠鏡、先鋒11號探測器、旅行者1號探測器、旅行者2號探測器以及卡西尼號搭載惠更斯探測器對土衛六進行觀測和探索。其中旅行者1號成功記錄了土衛六的密度、成分以及大氣溫度等。卡西尼號—克里斯蒂安·惠更斯提供了土衛六的表面和復雜大氣的詳細視圖。研究表明，土衛六擁有豐富的維持生命所需的所有元素。

《星際迷航》《星際迷航復仇者》等電影和電視劇都將土衛六作為主要場景。眾多文學家也將土衛六作為小說的主題或背景。

發現與命名

發現

早期研究

1650年，荷蘭天文學家克里斯蒂安·惠更斯受到伽利略望遠鏡的啟發，在弟弟（小康斯坦丁·惠更斯）的幫助下開始研制自己的望遠鏡，并用其觀測到了木星的第一顆衛星以及土星。1655年，克里斯蒂安·惠更斯又使用自己研制的望遠鏡發現了一個繞土星運行的物體。起初，他不確定那是什么，但經過幾次觀察后，他確定這是一顆衛星，即土衛六。

關于惠更斯發現的土衛六相關知識于清朝中期傳入中國。傳教士讓·弗朗索瓦·富凱在其著作《歷法問答》（1716年）中介紹土星環和土衛六。1760年，由蔣友仁翻譯，錢大昕等人補充的《地球圖說》進一步對土星環和土衛六進行了介紹，其中提到“土星旁有五小星繞之，木星旁有四小星繞之”。此外，在介紹金、木、水、火、土五星時，也涉及了土星五顆衛星的速度：“土星旁有五小星各有本輪繞土星而行······第四星行十五日九十刻······俱循本輪一周”。其中第四星即土衛六。

快速發展

20世紀上半葉，隨著望遠鏡的改進，天文學家們對土衛六有了更多的發現：

1908 年，加泰羅尼亞天文學家何塞·索拉觀察到土衛六邊緣比中心部分更暗。他認為這是土衛六擁有大氣層的原因。哥廷根大學的魯珀特·維爾特 (Rupert Wildt) 在1930年代通過計算表明，土衛六的質量和溫度足以維持由分子量為16（如甲烷）或更重的氣體組成的大氣層。

1944年，荷蘭裔美國天文學家杰拉德·柯伊伯通過對甲烷的光譜探測，證實土衛六有大氣層，并且通過先進望遠鏡觀測到，土衛六的大氣層稠密而朦朧。

鼎盛時期

20世紀60年代以后，通過行星探測器，人們對土衛六有了更多的了解：

第一艘探索土衛六的航天器先鋒11號于1979年9月1日飛越土星系統，不僅證實了此前天文學家對土衛六溫度與質量的研究，還在土衛六的高層大氣中發現了藍色薄霧的跡象。

旅行者1號探測器和二號于1980年和1981年穿過土星系統時，發現了土衛六上層大氣的分離層，并揭示了其大氣主要成分為氮氣。旅行者號還發現土衛六含有微量乙炔、乙烷、丙烷和其他有機化合物。在旅行者一號抵達土星系統之前，一些科學家就曾根據土衛六的低溫和甲烷含量推測其可能存在以液態碳氫化合物為主的海洋。

旅行者一號提供了土衛六的表面溫度和氣壓以及半徑的測量結果，這個結果表明土衛六不是太陽系中最大的衛星，而是第二大衛星。旅行者號探測器還發現土衛六從北到南的亮度存在明顯差異——這被認為是季節性影響（這一假設后來得到了證實）。

1994年，美國航空航天局的哈勃空間望遠鏡觀測到土衛六大片的明亮和黑暗區域，其中明亮區域相當于整個澳大利亞的大小。

卡西尼號—惠更斯探測器于2004年在土衛六北極地區發現了湖泊和海洋。2005年1月14日，惠更斯探測器再次登陸土衛六，并且在現在稱為阿迪里的明亮地區的最東端著陸。在調查過程中，克里斯蒂安·惠更斯拍攝到了土衛六蒼白的山丘和流向黑暗平原的黑色“河流”以及其他表面特征。天文學家根據卡西尼號攜帶的“可見光紅外成像光譜儀”在2009年和2010年飛掠土衛六時獲取的觀測數據，發現了土衛六的塵暴現象。

命名

1655年，惠更斯在《土星衛星的新觀測》的小冊子中將其命名為Saturni Luna （拉丁語，意為“土星的衛星”）。1673年至1686年間，喬瓦尼·多梅尼科·卡西尼在土星周圍又發現了四顆衛星，天文學家開始將它們稱為土星一號至土星五號（土衛六位于第四位，稱為土星四號）。威廉·赫歇爾 (William Herschel) 于1789年發現土衛二，并且發現土衛二比其他衛星都更接近土星，所以土星的衛星必須再次重新命名。泰坦這個名字以及土星其他主要衛星的名字都是由威廉·赫歇爾的兒子約翰提出的：1847年，約翰·赫歇爾在《好望角天文觀測結果》一書中以神話中的泰坦巨人命名土衛六，泰坦在神話中是克羅諾斯（羅馬神話中的薩圖恩）和他的兄弟姐妹們的統稱。這次命名以后，泰坦被固定為土衛六號（盡管此后又發現了幾顆更接近土星的較小衛星）。

特征

形成

科學家們根據土衛六的運動特征、物理狀況和化學成分判定土衛六是和土星一起演化形成的，屬于穩定衛星，不可能是土星后來捕獲的小天體。美國航空航天局和ESA通過對土衛六大氣中的同位素氮14和氮15的測量，發現土衛六的氮同位素比與奧爾特云（奧爾特云是一個繞太陽運行的球體云團，距離太陽5000 到100000個天文單位）中氮同位素比最相似。土衛六的大氣氮比率表明，其組成部分在太陽系歷史的早期（原太陽星云形成時期）就形成了。

物理性質

土衛六的半徑約為2575 km，比月球寬近50%。土衛六距離土星約120萬千米，土星本身距離太陽約14億千米，即約9.5個天文單位（1 個天文單位是地球到太陽的距離），來自太陽的光大約需要80分鐘才能到達土衛六。由于距離太陽較遠的原因，土星和土衛六的光照強度比地球低約100倍，所以土衛六的表面溫度約為94K (-179.15℃）。在這個溫度下，水冰的蒸氣壓極低，因此在大氣圈的平流層僅存在的少量水蒸氣。如果不是大氣中的甲烷在土衛六表面產生溫室效應，其溫度會低得多。

土衛六的引力強度約為1.352m/s2。其表面壓力為1.5×10?帕斯卡，這與一個人在地球海洋表面以下約15米處游泳時感受到的壓力大致相同，但密度卻沒有地球表面那么大，其平均密度為1.880×103千克/立方米，質量為1.345×1023kg。

結構

土衛六的結構是通過匯集望遠鏡觀測的證據以及旅行者號探測器和卡西尼號任務中收集的證據而構建的。根據卡西尼-惠更斯任務數據建立的模型表明土衛六有五個主要層：最內層是直徑約4000公里的巖石核心（主要由含水硅酸鹽巖石組成）。巖石核心周圍是一層水冰殼——一種稱為冰-VI 的特殊類型，僅在極高壓力下才能發現。高壓冰被一層咸液態水包圍，液態水外層是水冰外殼。水冰表面覆蓋有有機化合物，這些有機分子經過下雨后以沙粒和液體的形式從大氣中沉淀出來。土衛六表面被濃密的大氣所包圍。

卡西尼號太空船對土衛六的多次重力測量表明，土衛六內部有含液態水的地下海洋。歐洲航天局的惠更斯探測器也在2005年下降到土衛六地表，通過無線電信號的測量，表明其冰冷地面以下55至80公里處存在海洋。

表面

在太陽系眾多星球中，土衛六的表面跟地球表面最相似，但是溫度比地球要低得多，并且化學成分也不同。研究表明，土衛六表面可能存在冰火山、甲烷湖泊（或海洋）以及沙丘等。

冰火山

2004年底和2005年初，卡西尼號宇宙飛船飛過土衛六時，發現了土衛六火山活動的證據：卡西尼號所載的特殊紅外照相機，透過土衛六濃密的大氣層，發現了一個30千米寬的圓形地貌。這個圓形結構有兩個翼展，從它的西邊延伸過來，人們認為這個圓形結構是一個圓丘形冰火山。它類似于金星和地球上的火山，各個地質層是由一系列熔巖流造成的。在土衛六火山的中央，有暗黑的斑塊，可能是火山口。火山所排出的物質可能是甲烷冰以及氨之類的化學物質。

甲烷湖泊或海洋

土衛六的表面存在大型湖泊（或海洋），內部是由液態的甲烷和乙烷形成。這些湖泊大多是在土衛六極地地區附近發現的，例如安大略湖。這個已被證實位于土衛六南極附近的甲烷湖的表面積為15000平方公里（比地球上同名的安大略湖小20%），最大深度為7米。觀測到最大的湖是克拉肯湖，這是北極附近的一個甲烷湖。它的表面積約為400000平方公里，比里海還要大，估計深160米。卡西尼號還檢測到了湖里面以每秒 0.7米的速度移動的1.5厘米高的淺毛細波（又稱波紋波）。

麗姬亞湖是土衛六上已知的第二湖泊，它與克拉肯湖相連，也位于北極附近。它的表面積約為126000平方公里，海岸線長度超過2000公里，比蘇必利爾湖還要大。就像克拉肯湖一樣，它的名字來源于希臘神話。美國航空航天局 (NASA) 觀測到湖中有一個面積為260平方公里的小島，并將其命名為“魔幻島”。該島嶼于2013年7月首次被發現，隨后消失，直到2014年8月再次出現（略有變化）。據推測它可能與土衛六的季節變化有關。

卡西尼號—克里斯蒂安·惠更斯在土衛六赤道沙漠地區也發現了一些碳氫化合物湖泊，如香格里拉地區的一處湖泊。這個湖泊面積約為猶他州大鹽湖的一半，就像地球上的沙漠綠洲一樣。據推測，這些赤道湖泊的水源可能來自地下含水層。研究表明，土衛六上的甲烷雨可能與地下的冰物質相互作用，產生液態乙烷和丙烷，并且它們最終可能流入湖泊。

沙丘及隕石坑

土衛六上有大片的黑色沙丘地貌，主要分布在赤道地區。這些沙丘中的“沙子”由深色碳氫化合物顆粒組成，看起來像咖啡渣。從外觀上看，這些長達數百公里，高數米的線性沙丘與非洲納米比亞沙漠中看到的沙丘相似。據推測，這些沙丘可能是由太陽和土衛六稠密大氣相互作用引起強大的交替風而產生的。

土衛六的表面形成在1億到10億年之間，整體看起來相對平坦，但偶爾會有500米至1千米高的山脈。土衛六跟地球相似，隨著時間的推移，星球上的隕石坑會被流動液體（在地球上是水）、風以及板塊構造過程中的力量抹去。但是在土衛六表面也發現了少數撞擊坑，包括一個440公里寬的兩環撞擊盆地，名為門爾瓦；一個較小的、寬60公里的平底隕石坑，名為辛拉普；以及一個長30公里，中心有一個山峰的隕石坑，名為克薩。雷達和軌道成像還觀測到了土衛六表面上的其他“隕石坑”，它們是圓形的，比如名為瓜博尼托的隕石坑，有90公里寬，里面充滿了黑色的沉積物。在黑暗的香格里拉和阿魯地區也觀察到了其他幾個類似的隕石坑。

大氣圈

太陽系擁有150多個衛星，但土衛六的不同之處在于它是唯一一顆擁有濃厚大氣層的衛星。土衛六表面的大氣壓力為1.5×10?帕斯卡，比地球上的大氣壓力高約60%，這與一個人在地球海洋表面以下約15米處游泳時感受到的壓力大致相同。由于土衛六的質量比地球小，所以它的重力不會像地球那樣緊緊地束縛住它的氣體包層，其大氣層深入太空近600千米，比地球大氣層高約10倍。土衛六的大氣壓力和溫度曲線呈現四個區域：高度約為40~50km的對流層；從對流層頂到高度約為250km的平流層；從平流層頂到高度約為500km的中間層；最后是熱層。

在平流層，大氣成分為氮占98.4%，其余1.6%主要由甲烷 (1.4%) 和氫 (0.1-0.2%) 組成。還有微量的其他烴類，如乙烷、丁二炔、甲基乙炔、乙炔、丙烷等；以及其他氣體，如氰[qíng]乙炔、氫氰酸、二氧化碳、一氧化碳、氰、氬[yà]和氦。在土衛六大氣層的高處，甲烷和氮分子被太陽紫外線和土星磁場中加速的高能粒子分解，這些分子碎片重新組合形成各種有機化學物質（含有碳和氫的物質）。甲烷、氮氣分裂和循環產生的這些化合物會形成一種煙霧——一種厚厚的橙色薄霧，使土衛六表面難以從太空中觀察到。

土衛六大氣中所有甲烷的來源仍然是個謎。由于陽光不斷分解土衛六大氣中的甲烷，因此必須有某種來源來補充甲烷，否則它會隨著時間的推移而耗盡。研究人員懷疑甲烷可能通過低溫火山作用噴入土衛六的大氣層（火山釋放冰水而不是熔巖），但這個懷疑并沒有被證實。

軌道和自轉

土衛六環繞土星公轉的軌道半徑為1221850千米，偏心率為0.0292，軌道平面與土星赤道面的交角為0.33°。土衛六繞土星一周需要15天22時41分24秒。其被潮汐鎖定與土星同步旋轉（就像地球跟月球一樣），土衛六在繞軌道運行時始終是同一面朝向土星。土星繞太陽運行大約需要29個地球年（土星年），土星的自轉軸與地球一樣傾斜，從而產生季節。但土星每個季節持續超過七個地球年。由于土衛六大致沿著土星赤道面運行，而且土衛六相對于太陽的傾斜度與土星大致相同，因此土衛六的季節與土星的季節相同——季節持續超過7個地球年，一年持續29個地球年。

觀測與探測

業余觀測

由于土星球體的亮度和土星環系統的干擾，業余人員通常在沒有儀器的幫助下很難發現土衛六。在觀察前可通過天文學應用程序（如Sky Map、Star Walk 2 Free、SkySafari 等）確認土衛六在天空中的位置和最佳觀測時間。使用望遠鏡觀察時，可以將瞄準鏡瞄準土衛六或使用自動取景器。土衛六將呈現為一個明顯的亮紅色圓盤。觀看土星衛星（包括土衛六）的最佳時間是土星沖日時，此時土星的亮度達到最高。

專業觀測

使用6-8英寸的望遠鏡觀測土衛六只能看到棕色或橙色的星星或點。使用14英寸或更大的望遠鏡，將能夠看到土衛六的橙色圓盤。如果在晴朗的黑夜，則可以通過將望遠鏡倍數放大150-250倍來識別土衛六。如果使用大口徑望遠鏡，將能夠獲得更清晰的視野。也可以使用紅外測繪光譜儀（VIMS）通過甲烷吸收帶之間的大氣窗口觀察土衛六表面的光譜特性。

1655年3月25日，天文學家克里斯蒂安·惠更斯用自制的3.7米長折射望遠鏡觀測土星時，發現了土衛六。1944年，荷蘭天文學家杰拉德·柯伊伯使用新開發的光譜儀對土衛六進行了系統的分光觀測研究，并發現了土衛六上有甲烷氣體。

科學探測

第一個訪問土星系統的探測器是1979年的先驅者11號，它同時拍攝了土衛六和土星的圖像，并揭示了土衛六可能太冷而無法維持生命。旅行者1號探測器和旅行者2號探測器太空探測器分別于1980年和1981年對土衛六進行了觀測。這兩個探測器內部都裝有科學成像系統、紫外光譜儀、紅外干涉光譜儀、光偏振計、三軸磁通量門磁力計、等離子體光譜儀、低能帶電粒子實驗儀器、等離子體波實驗儀器、宇宙射線望遠鏡以及科學射電系統。旅行者2號在前往天王星和海王星的途中只成功地拍攝了土衛六的快照，旅行者1號卻成功地飛越了土衛六，并拍攝了照片和紀錄了數據。這些數據包括土衛六的密度、成分和大氣溫度。旅行者1號探測器還對對土衛六的質量進行了精確測量。2004年，科學家對旅行者1號橙色濾鏡拍攝的圖像進行密集數字處理后，發現了現在被稱為“世外桃源”和“香格里拉”的兩個地方。但是由于大氣霧霾的阻礙，沒能直接拍攝到其表面的照片。

卡西尼號宇宙飛船搭載了歐洲航天局的惠更斯探測器，于2004年成功圍繞土星飛行，并首次透過霧霾對土衛六進行了觀察。隨后惠更斯號探測器與卡西尼號分離，穿過土衛六大氣層，于2005年1月14日降落在土衛六表面，這是探測器首次在外太陽系著陸。惠更斯探測器由兩部分組成：入口組裝模塊和下降模塊。入口組裝模塊攜帶著與卡西尼號分離后控制惠更斯號的設備，以及充當制動器和熱保護作用的隔熱罩。下降模塊包含科學儀器和三個不同的降落傘，這些降落傘按順序展開以控制惠更斯下降到土衛六表面。惠更斯號在下降過程中以及著陸后成功收集了土衛六的圖像和大氣數據，并將這些數據傳輸到卡西尼號，卡西尼號又將這些數據轉發到地球。卡西尼號在13年間對土衛六進行了127次近距離飛越，使用包括雷達和紅外儀器在內的工具來透視土衛六的薄霧大氣層，最終為科學家提供了土衛六的表面和復雜大氣的詳細視圖。

卡西尼號以后，科學家們提出了幾項將機器人太空探測器送往土衛六的提議。其中包括美國航空航天局/歐洲航天局聯合提議的探索土星衛星的項目——泰坦土星系統任務（TSSM）。2012年初，愛達荷大學科學家賈森·巴恩斯 (Jason Barnes) 提出了另一項探測土衛六的項目——泰坦現場機載偵察飛行器（AVIATR），它將飛越土衛六大氣層并拍攝其表面的高清圖像。但是NASA當時沒有批準7.15億美元的申請，所以該項目沒有被確定。另一個名為“泰坦湖原位采樣推進探測器” (TALISE) 的湖泊著陸器項目是由西班牙私人工程公司SENER和馬德里天體生物學中心于2012年底提出的。這個探測器將擁有自己的推進系統，因此不會僅限于在著陸時簡單地在湖上漂流。

2022年11月4日至5日夜間，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（詹姆斯·韋伯空間望遠鏡）的近紅外相機 (NIRCam) 和近紅外分光光度計 (NIRSpec) 對土衛六進行了觀測。這兩種儀器具有寬光譜覆蓋范圍（其中近紅外光譜儀器的光譜分辨率比卡西尼-惠更斯更好），并且具有與地面最大望遠鏡相當的空間分辨率和前所未有的靈敏度。

重大事件

2017年9月15日據中國之聲《新聞縱橫》報道，北京時間15日傍晚，卡西尼號執行來自美國航空航天局（NASA）的最后一條指令：自我焚毀。這艘20世紀末的行星際飛船，點燃推進器，一頭扎進土星大氣層，與它探測了13年的氣態行星融為一體。

據 NASA 官員稱：美國宇航局多旋翼無人機預計于2026年離開地球，并于 2034 年降落在土衛六，尋找土衛六生命的跡象。

學術研究

2016年，馬丁·拉姆博士領導的康奈爾大學研究小組在《美國國家科學院院刊》發表了研究題為“聚亞胺的多態性和電子結構及其對土衛六上生命起源前化學的潛在意義”的報告。在報告中提到，拉姆和他的同事研究了氫氰酸在土衛六大氣中可能發揮的作用，他們認為氰化氫是生命起源問題的核心。同時康奈爾大學團隊還利用量子力學計算表明：聚亞胺具有電子和結構特性，可以在非常寒冷的條件下促進益生元化學，這一發現意味著土衛六表面可能存在驅動有機生命光化學反應所需的能量，甚至可以促進有機生命的發育。

倫敦大學的外部研究員多米尼克·福爾特斯（Dominic Fortes）在其論文中探討了土衛六的內部結構，以及土衛六表面與地球地質特征的關系。福爾特斯構建了一系列土衛六內部模型，并將這些模型與卡西尼號無線電科學實驗新獲得的數據進行了比較，表明土衛六的內部是部分甚至可能完全分化的。福爾特斯的模型排除了土衛六內部存在金屬核心的可能性（這一研究結果與卡西尼號磁力計數據一致），研究表明土衛六內部有相對低溫和潮濕的巖石。

2022年，斯坦福大學的科學家建立了一個可以模擬土衛六獨特地貌形成的模型。這個模型展示了土衛六的沙丘、平原和迷宮地形是如何形成的。研究人員基于沉積物形成的假設，利用有關土衛六氣候和風驅動沉積物輸送方向的現有數據來解釋其獨特的平行地質構造帶。研究人員預測，赤道兩側中緯度地區的沉積物輸送將會停滯，其中燒結（相鄰的顆粒融合成一塊）可能占主導地位，并產生越來越粗的顆粒，最終變成構成土衛六平原的基巖。他們還認為土衛六兩極的獨特峭壁可能就像地球上石灰巖中的溶洞一樣。但這種地貌與地球上的形成過程不同：在土衛六兩極附近的河流較多，以及暴雨發生頻繁，使得沉積物不是被風輸送，而是通過河流輸送。

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