木衛(wèi)二快船啟航 冰衛(wèi)星成為探測新熱點

北京時間10月15日00:06，美國航天局在肯尼迪航天中心通過SpaceX獵鷹重型運載火箭將木衛(wèi)二快船探測器（Europa Clipper）發(fā)射升空，再度開啟新一輪木衛(wèi)系的科學(xué)考察。

木衛(wèi)二快船起飛（來源：NASA/Kim Shiflett）

未知的生命樂園?

木衛(wèi)二是當年伽利略所發(fā)現(xiàn)的木星四顆衛(wèi)星中最小的一個，在整個太陽系衛(wèi)星中排行第六。直徑約3120公里，為月球的90%，質(zhì)量約4.79984×1022 kg，為月球的65.3%。在木星的95顆衛(wèi)星中，它是距離木星第6近的。在西方，木衛(wèi)二的名字幾乎家喻戶曉，它叫歐羅巴（Europa）。沒錯，就是歐洲大陸名稱的來源，克里特島國王米諾斯（Minos）的母親，希臘天神宙斯（羅馬神中朱庇特）的心上人。

“伽利略”號探測器拍攝的木衛(wèi)二（來源：NASA/JPL/DLR）

木衛(wèi)二的大小與地球唯一的天然衛(wèi)星月球差不多，但它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)卻有很大不同。美國航天局 1990 年代發(fā)射的木星探測器“伽利略”號曾對木衛(wèi)二有過深度觀測。有證據(jù)表明，木衛(wèi)二的冰層下面，有一個巨大的咸水海洋，其含水量可能是地球海洋總和的 2 倍！水層和冰層加在一起可能厚達100公里。木衛(wèi)一、木衛(wèi)三對它的潮汐加熱作用，使它內(nèi)部海洋保持液態(tài)形式。海水通過陸地的縫隙溢出，覆蓋在木衛(wèi)二表面，形成大片的冰原。木衛(wèi)二擁有太陽系固態(tài)天體中最光滑的表面。

木衛(wèi)二地下海洋的藝術(shù)想象畫（來源：NASA/JPL-Caltech）

一個巨大的海洋，給人們創(chuàng)造了無盡的想象空間。地球的生命就是誕生在海洋中的。2015年，有科學(xué)家根據(jù)木衛(wèi)二地質(zhì)特征認為其海洋和海底存在相互作用。甚至有人認為其表面下可能含有有機化合物和能源。雖然目前沒有證據(jù)表明木衛(wèi)二存在火山熱液活動，但考慮到強大的潮汐加熱作用——比輻射加熱強得多，或許能為深海中的某些活動提供能源支撐。鹽水的冰點比水低很多，這也是支持木衛(wèi)二保持液態(tài)海洋的重要因素之一。不過即便如此，低溫、黑暗、高壓、高鹽，這些都是給生命的形成和演化的巨大考驗。

太陽系中可能有不少星球與木衛(wèi)二類似，有著巨大的地下海洋。木衛(wèi)二的宜居性一直是個迷人的話題。一旦“木衛(wèi)二快船”任務(wù)確定木衛(wèi)二是宜居的，那么這可能意味著對我們傳統(tǒng)觀念的巨大突破！太陽系內(nèi)外的宜居世界比想象的要多。

又大又快的“船”

木衛(wèi)二快船原名叫“木衛(wèi)二多次飛越任務(wù)”（Europa Multiple Flyby Mission），是 NASA首個致力于研究地外海洋世界的任務(wù)。其發(fā)射質(zhì)量約 6 噸，凈重約 3.2 噸，自身寬度 6 米，太陽能帆板展開后超過 30 米，比一個籃球場還大。憑借著巨大的太陽能帆板和雷達天線，木衛(wèi)二快船成為NASA有史以來最大的太陽系地外行星探測器。

木衛(wèi)二快船的大?。▉碓矗篘ASA/JPL-Caltech）

之所以采用那么巨大的太陽能帆板，是因為在木星軌道附近，太陽輻射只有地球軌道附近的4%。NASA的工程師也考慮過使用钚-238作為能量來源，不過評估下來還是認為使用太陽能電池成本更低，技術(shù)上也更簡單。

木星距離太陽約 5.2 天文單位，也就是 7.8 億公里開外，這樣的長途奔襲并非易事。木衛(wèi)二快船探測器將先飛越火星（2025年2月）和地球（2026年12月），借助這兩顆行星的“引力彈弓”進行加速，全程約 29 億公里，耗時5年半，最后于 2030 年 4 月被木星引力捕獲，開始繞木星運行。有意思的是，木衛(wèi)二快船正如其名，相比于2023年4月15日已經(jīng)踏上征途的歐洲航天局的，它反而會提早1年多到達木星。

木衛(wèi)二快船奔向木星的軌道示意圖（來源：NASA/JPL-Caltech）

木衛(wèi)二快船的主要考察對象是木衛(wèi)二，不過它并不打算環(huán)繞木衛(wèi)二運行，而是仍然作為木星的人造衛(wèi)星運行，期間飛越木衛(wèi)二 49 次，每一次會以不同角度飛越木衛(wèi)二，從而掃描幾乎整個星球。飛越時最遠距離約2700 公里，最近則只有 25 公里！

木衛(wèi)二快船探測器效果圖（來源：NASA）

全面考察冰衛(wèi)星

木衛(wèi)二快船有三個主要科學(xué)目標：① 確定木衛(wèi)二冰殼的厚度，以及冰殼與下方海洋的相互作用；② 研究木衛(wèi)二的主要成分；③ 描述木衛(wèi)二的地質(zhì)特征。該任務(wù)對木衛(wèi)二的詳細探索將幫助科學(xué)家更好地了解地球以外宜居世界的天體生物學(xué)潛力。

木衛(wèi)二快船上的部分科學(xué)載荷（來源：NASA/JPL-Caltech）

木衛(wèi)二快船所攜帶的科學(xué)載荷包括：

• 成像系統(tǒng)（Europa Imaging System，EIS）：由一個廣角相機和一個窄角相機組成，每個都擁有一個800萬像素的傳感器，用于生成高分辨率的彩色和立體圖像。他們將研究地質(zhì)活動，測量地表高程，并為其他儀器提供參考背景。

• 熱輻射成像系統(tǒng)（Europa Thermal Emission Imaging System，E-THEMIS）：這是一臺紅外線熱成像儀，用來識別木衛(wèi)二表面較為溫暖的區(qū)域，如果有液態(tài)海水從表面縫隙中噴出，或者液態(tài)水留存在表面，就很容易被它捕捉到。同時，它還可以測量木衛(wèi)二的表面紋理，以了解較小尺度的地質(zhì)特性。

• 紫外光譜儀（Europa Ultraviolet Spectrograph，E-UVS）：通過望遠鏡收集紫外線并生成圖像。紫外光譜將有助于確定木衛(wèi)二大氣氣體成分和表面物質(zhì)組成。它還將注意地表附近有無羽流活動的跡象。

• 測繪成像光譜儀（Mapping Imaging Spectrometer for Europa，MISE）：紅外光譜儀將用于繪制木衛(wèi)二的冰、鹽、有機物和最熱熱點的組成和分布圖。這些地圖將有助于科學(xué)家了解木衛(wèi)二的地質(zhì)歷史，并確定其海洋是否適合生物生存。

• 磁強計（Europa Clipper Magnetometer，ECM）：用于研究木衛(wèi)二的磁場，旨在確認其海洋的存在，測量海洋深度和鹽度。同時，它還將研究木衛(wèi)二的電離大氣以及它與木星的相互作用。

• 等離子體磁測深儀（Plasma Instrument for Magnetic Sounding，PIMS）：木衛(wèi)二附近的磁場被木衛(wèi)二的電離層和被困在木星磁場中的等離子體扭曲。PIMS將嘗試把這些扭曲的磁場與其自身的感應(yīng)磁場區(qū)分開來。這種方法也將有助于揭示木衛(wèi)二海洋的信息。

• 重力/射電科學(xué)（Gravity/Radio Science）：木衛(wèi)二的軌道并非圓形，有時接近木星，有時更遠。通過測量木衛(wèi)二在其軌道上不同點位的重力，能夠反映出它受到的引潮力。

• 海洋到近地表評估與探測雷達（Radar for Europa Assessment and Sounding: Ocean to Near-surface，REASON）：可以簡單理解為探冰雷達，它將探測木衛(wèi)二的冰層，尋找疑似的海洋。研究冰層的結(jié)構(gòu)和厚度、表面形貌、成分和粗糙度等。

• 行星探測質(zhì)譜儀（MAss Spectrometer for Planetary EXploration/Europa，MASPEX）：分析木衛(wèi)二微弱大氣，以及可能存在的羽流中的氣體，研究海洋和表面如何交換物質(zhì)。

• 表面塵埃分析儀（SUrface Dust Analyzer，SUDA）：微小的隕石能夠?qū)⒛拘l(wèi)二表面的碎石噴射到太空中，而地下的海洋也會將部分物質(zhì)以羽流的形式排放到太空中。塵埃分析儀將確定這些物質(zhì)的化學(xué)成分和來源，并提供關(guān)于海洋鹽度的線索。

由于木衛(wèi)二沐浴在木星磁場的強大輻射中，因此木衛(wèi)二快船的有效載荷及其他電子設(shè)備必須被封閉在一個由鈦和鋁制成的防護層里，以阻擋高能粒子的輻射。然而，就在今年6月，突然爆出探測器上控制電流的晶體管不符合標準的消息。相關(guān)器件可能擋不住木星磁場的輻射劑量，從而失效。這個隱患是無法消除的，重新更換器件又將錯過今年的發(fā)射窗口。最終NASA不得不選擇讓探測器帶著問題上天。

木星磁層（來源：ESA）

歐洲和美國相繼發(fā)射了木衛(wèi)探測器，分別聚焦在木衛(wèi)三、木衛(wèi)二這兩顆冰衛(wèi)星上，這并不是巧合。事實上，中國也在積極地規(guī)劃自己的木衛(wèi)系探測計劃—— 天問四號 。該任務(wù)的目標為研究木星磁層結(jié)構(gòu)、木衛(wèi)四大氣模型、木衛(wèi)四表面冰層形貌及厚度、金星—地球—木星間的太陽風(fēng)結(jié)構(gòu)等，并將對天王星進行探測。天問四號將于2030年左右發(fā)射，2035年左右到達木星。就在10月15日發(fā)布的《國家空間科學(xué)中長期發(fā)展規(guī)劃(2024-2050年)》也將探索太陽系天體和系外行星的宜居性作為優(yōu)先發(fā)展方向之一。在月球和火星之后，冰衛(wèi)星和地外宜居性將成為新的深空探測熱點。

參考資料：

Europa Clipper - NASA Science (https://science.nasa.gov/mission/europa-clipper/)