木星和土星系统中的几颗冰卫星似乎拥有内部液态水海洋。我们对天王星卫星的了解较为有限，但未来对天王星系统的探索有可能探测到地下海洋。为此进行规划需要了解卫星的内部结构（有或没有海洋）与可观测量的关系。德克萨斯大学地球物理研究所和加州大学圣克鲁斯分校的新研究表明，它们旋转状态的某些方面可以诊断天王星卫星（例如米兰达、阿里尔和乌姆布里尔）内部是否存在液态水海洋，并将其与重力场测量相结合可以对天王星卫星的内部结构和历史提供全面的约束。
天王星的四个主要卫星中可能存在海洋层：Ariel、Umbriel、Titania 和 Oberon；咸海洋位于冰下、富含水的岩石和干燥岩石层之上；米兰达太小，无法为海洋层保留足够的热量。图片来源：NASA / JPL-Caltech。
1986 年，当 NASA 的航行者 2 号飞越天王星时，它拍摄到了大型冰雪覆盖卫星的颗粒状照片。
现在，美国宇航局计划向天王星发射另一艘航天器，这一次的装备是为了看看那些冰冷的卫星是否隐藏着液态水海洋。
该任务仍处于早期规划阶段，但行星研究人员正在为此做准备，他们正在构建一种新的计算机模型，该模型可用于仅使用航天器的相机来探测冰下的海洋。
他们的计算机模型的工作原理是分析月球绕其母行星旋转时的微小振荡或摆动。
从那里它可以计算出里面有多少水、冰和岩石。较少的摆动意味着月球大部分是固体，而较大的摆动意味着冰冷的表面漂浮在液态水海洋上。
当与重力数据结合时，该模型可以计算海洋的深度以及上覆冰的厚度。
“如果发现天王星的卫星有内部海洋，这可能意味着我们的银河系中存在大量潜在的生命栖息地，”德克萨斯大学地球物理研究所的行星科学家道格·海明威博士说。
“在天王星卫星内发现液态水海洋将改变我们对生命可能存在的可能性范围的看法。”
太阳系中的所有大型卫星，包括天王星卫星，都被潮汐锁定。
这意味着重力与它们的自转相匹配，因此当它们绕轨道运行时，同一面始终面向它们的母行星。
然而，这并不意味着它们的自转是完全固定的，所有潮汐锁定的卫星在绕轨道运行时都会来回振荡。
确定摆动的程度对于了解天王星的卫星是否包含海洋以及如果存在的话海洋有多大至关重要。
内部有液态水海洋晃动的卫星比那些完全是固体的卫星摇摆得更厉害。然而，即使是最大的海洋也只会产生轻微的晃动：月球在其轨道上运行时，其自转可能只会偏离几百英尺。
这仍然足以让经过的航天器探测到。事实上，该技术之前曾被用来确认土星的卫星土卫二拥有内部全球海洋。
为了弄清楚同样的技术是否适用于天王星，海明威博士和他的同事、加州大学圣克鲁斯分校的弗朗西斯·尼莫博士对天王星的五颗卫星进行了理论计算，并提出了一系列看似合理的情景。
探测较小的海洋意味着航天器必须靠近或配备更强大的相机。
海明威博士说：“下一步是扩展模型，将其他仪器的测量纳入其中，看看它们如何改善卫星内部的图像。”
团队的工作发表在杂志上地球物理研究通讯。
_____
DJ 海明威和 F. Nimmo。 2024 年。利用天王星卫星的天平动和重力寻找地下海洋。地球物理研究通讯51（18）：e2024GL110409；编号：10.1029/2024GL110409
本文是德克萨斯大学提供的新闻稿的一个版本。
