木衛探海：向另一個海洋世界的首次航行

來源：光明日報

木衛二是一顆冰封的木星衛星，也是太陽系內最有希望孕育地外生命的地方?？茖W家推測，木衛二的冰層下可能藏著一片覆蓋整個衛星的咸水海洋，其中蘊含著孕育生命所需的一切元素：能量、化學物質和水。這片隱秘海洋蘊藏的水量可能比地球海洋總水量還要多。迄今最大的行星探測器已開始遠航，它正前往木衛二執行探索任務，以幫助人類理解可能宜居的環境。

探索“海洋世界”

數十年來，木衛二一直吸引著搜尋外星生命的空間科學家。但派遣探測器探測地外海洋絕非易事，更非急功近利者所能為。外太陽系的探測任務耗時漫長，許多參與這些項目的科學家都深知，自己可能無法親眼見證任務終結。

2024年10月14日，一艘飛船從美國佛羅里達州肯尼迪航天中心的發射臺飛入湛藍的晴空。在美國空間探索技術公司（SpaceX）“獵鷹重型”運載火箭的推動下，美國航空航天局（NASA）的木衛二探測器“歐羅巴快船”很快掙脫地球引力的束縛，駛向木星系統。它將前往木星覆滿冰霜的衛星木衛二，探索太陽系最有希望孕育地外生命的海洋世界。

NASA噴氣推進實驗室的主任勞麗·萊欣在“歐羅巴快船”發射前的簡報會上講道，“我為人類選擇追求這些道阻且長的目標而自豪，比如，去遙遠的木星，探索未知的事物”。噴氣推進實驗室主導了“歐羅巴快船”的建造工作。

經過20多年的精心籌備，“歐羅巴快船”終于發射升空。然而，這僅僅是這艘耗資52億美元的探測器下半段征程的起點。“歐羅巴快船”將借助地球與火星的引力助推，沿著螺旋軌道加速。這段外太陽系之旅全程將跨越近29億千米，耗時約6年。2030年抵達木星軌道后，探測器將環繞這顆風暴肆虐的巨行星飛行，并在4年內49次飛越木衛二。

木星與外太陽系的其他天體僅能被微弱的陽光映照，至今仍籠罩在未知的迷霧中。但“歐羅巴快船”任務標志著一個新時代的到來，我們將一步步驅散迷霧，逐漸清晰地揭示這些天體地表下的神秘海洋。如今，科學家不僅將目光聚焦在木衛二，還有更多蘊藏海洋的冰質衛星，例如土星的土衛六和土衛二。這些衛星都可能適宜生命生存，甚至可能存在生命。

“這標志著我們正踏上探索全新天體‘海洋世界’的征程。而幾十年前，我們甚至還不知道這種天體的存在?！眹姎馔七M實驗室“歐羅巴快船”項目科學家羅伯特·帕帕拉爾多說道，“我們將深入探索這類世界的模樣，它們或許是生命最常見的棲息地，不僅在太陽系內，在整個銀河系中也是如此”。

若以太陽系為參考，這類小型冰質衛星的數量遠超行星，這有可能顛覆我們對生命能在何處繁衍的認知。“歐羅巴快船”任務的核心目標是，探明木衛二是否真正具有宜居性——驗證它是否如絕大多數空間科學家所確信的那樣，在冰殼之下潛藏著一片海洋?；蛟S在數十億年的歲月中，這里孕育出了生命所需的原始物質?！皻W羅巴快船”團隊認為，他們將發現適宜生命生存的海洋，但除非探測器真正抵達、展開探測，沒有人能給出確切的答案。

利用搭載的9臺科學儀器，“歐羅巴快船”還將研究木衛二奇異的化學組成，詳細繪制其錯綜復雜的冰原地圖，搜尋飄向太空的神秘水蒸氣羽流，并利用穿冰雷達尋找冰殼下的湖泊。不過，能完成這些任務的前提是，經過強化的探測器電子設備能承受住木星強烈輻射的沖擊。然而，最新測試數據顯示，面對足以烤焦探測器的輻射，“歐羅巴快船”比預想中更為脆弱。

“‘歐羅巴快船’這類任務，是在前人探索成果的基礎上繼續推進的?！泵绹s翰斯·霍普金斯大學應用物理實驗室的伊麗莎白·特特爾表示。她不僅領導著“歐羅巴快船”相機團隊，還負責“蜻蜓”號土衛六探測任務，該探測器最早將于2028年發射。特特爾感嘆道：“我們非常幸運，太陽系外層擁有如此多樣的世界，它們提供了大量信息，使我們能探索這些擁有海洋的行星可能經歷的不同演化路徑?！?/p>

異星可能宜居

1609年，當伽利略·伽利雷將自制的望遠鏡對準木星，觀測到幾顆微小的光點時，木衛二還只是他眼中的一點星光。通過測算這些光點的運行軌跡，伽利略準確推斷出這四顆天體并非遙遠的背景恒星，而是木星最值得關注的衛星。

如今，4個世紀過去了，被稱為“伽利略衛星”的木衛一、木衛二、木衛三和木衛四，正挑戰著人們對“溫和的生命宜居環境”的陳舊認知?？茖W家曾一度認為，宜居性主要取決于天體與恒星輻射熱源的距離，他們還假定外太陽系是一片冰冷荒寂之地，數十億年來幾乎沒有地質活動。

“最初探索外太陽系時，我們甚至根本沒想過要尋找宜居環境。”NASA總部“歐羅巴快船”任務科學家柯特·尼伯表示，“那時，這完全在我們的認知范疇之外”。

但在1979年，NASA的兩艘“旅行者”號探測器掠過木星，揭示了“由火焰與冰構成的陌生新世界”。人們觀測到木衛一持續的火山噴發、木衛三表面形成時期相差數十億年的地貌、木衛二表面異?！澳贻p”的冰殼，以及暗示其冰殼下可能存在液態物質的奇異線索。

隨后在1995年，NASA的“伽利略”號探測器進入木星軌道，對木星及其衛星展開深入觀測。探測器發現，4顆“伽利略衛星”因與木星之間的引力相互作用持續受熱，地質活動非常活躍。木衛一是太陽系火山活動最活躍的天體。木衛二不斷變化的地貌則表明，某種類似板塊構造的機制重塑了這顆冰質衛星的表面，并將物質從地表拖至地底深處。木衛二內部存在液態物質的模糊線索日漸清晰，最終幾乎無可辯駁地證明：在其厚度未知的冰殼之下，存在覆蓋整個衛星的咸水海洋，盡管其深度尚未可知。

如今，根據此前的觀測和對土星海洋衛星的研究，我們或許可以重新審視生命的可能性：如果地球的熱液噴口和其他黑暗角落帶來的生命啟示同樣適用于其他天體，那么，一個天體的生命潛能或許并不僅僅取決于其與恒星的距離，甚至可能與陽光完全無關。

“我們發現外星海洋存在的時間并不長，因此我認為，要充分理解它帶來的啟示確實需要時間。”特特爾指出，“如今科學界關注的核心領域之一是宜居性，從天體生物學的角度，恒星周圍的宜居帶究竟有多大”。

在行星科學家多年倡導的基礎上，2011年，NASA高級專家委員會在設定優先科研事項時建議，應重點開展木衛二及其海洋的大規模探測任務，并將木衛二稱作“行星科學領域最重要的目標之一”。在此之前，NASA將絕大多數天體生物學資金都投向了火星。如今我們幾乎可以確定，火星上沒有生命，至少在地表不存在，但在約40億至30億年前，曾經溫暖潮濕的火星可能孕育過生命。在持續不斷的火星探索浪潮中，想要為其他星球爭取研究空間，實屬不易。好在2011年的這條指導意見為一項醞釀多年的木星研究計劃注入了動力，這就是由帕帕拉爾多等人構想的木星-木衛二專項探測任務。

木衛二探測任務得到了行星科學領域倡導團體的協助，以及美國得克薩斯州前國會議員約翰·卡伯森的關鍵性支持?？ú旧砭褪且晃痪茖W文獻的木衛二愛好者，對尋找外星生命充滿熱忱。2015年，這項最終命名為“歐羅巴快船”的任務獲得NASA批準。任務團隊隨即開始設計探測器，規劃飛行軌跡并制造儀器?！疤剿鞯赝馍俏耶吷淖非螅@關乎全人類對自身在宇宙中所處位置的認知?！笨úf，“我深知每項成功的空間探索任務都需要一名領航者，他既要爭取資金支持，又要確保NASA能按照科學界的預期完成任務。這便是我應該肩負的使命”。

2024年10月14日，“歐羅巴快船”發射時，卡伯森和NASA高層人員共同站在肯尼迪航天中心的觀景臺。透過一臺大型防抖穩像雙筒望遠鏡，目送飛船升空?！斑@是一個令人無比欣慰和激動的時刻，是整個團隊共同努力的結果?！彼貞浀溃澳艹蔀檫@項壯舉的推動者之一，我深感榮幸”。

最終發射的探測器與早期構想大相徑庭。但“歐羅巴快船”仍是迄今為止最大的行星際探測器。這艘探測器重約3241千克，在展開巨型太陽能電池板后，其翼展超過30米。它搭載著世界頂級的相機、磁力計、地表塵埃分析儀以及人類有史以來最強大的質譜儀，該儀器能攝取分子以確定其成分與來源。

“我們始終堅信，這趟旅程必將有所收獲?！蹦岵f，“這是一次史詩級的任務。我們探索的并非數十億年前可能存在生命的世界，而是此時此刻仍可能孕育生命的世界”。在漫長的籌備期中，這項任務多次從瀕死的邊緣僥幸逃脫。在最后關頭，它還險些因一項致命故障而功虧一簣。

突破輻射帶

1959年，天文學家弗蘭克·德雷克在提出以他名字命名的宇宙生命存在概率評估框架的兩年前，曾用射電望遠鏡對準木星，明確探測到高速電子沿著磁場線蜿蜒的軌跡運動。木星強大的磁場足以將帶電粒子加速至接近光速，這種現象被稱為同步輻射。德雷克觀測結果的影響無可辯駁，人們意識到，巨大的強輻射帶包裹著木星，對于無防護設施的探測器而言，這是一片致命的地帶。“木星的磁場強度是地球的兩萬倍，它本質上就像一臺巨型粒子加速器。”噴氣推進實驗室“歐羅巴快船”項目經理喬丹·埃文斯表示。

所有前往木星系統探索的探測器都需經過特殊設計，以確保其至少在一段時間內可以承受致命的輻射考驗。“歐羅巴快船”也不例外，因為它探測的木衛二擁有強烈的輻射環境。但就在“歐羅巴快船”計劃運往佛羅里達州之前，在2024年5月的一次會議上，NASA的工程師發現，探測器上某些抗輻射電路出人意料地脆弱。這一信息源自另一家政府機構，他們從同一家德國供應商采購了相同的部件。這些元件被稱為金屬氧化物半導體場效應晶體管，本質上是充當開關的電子器件。這批晶體管在遠低于標稱值的輻射強度下就出現明顯性能衰減，抗輻射能力極差，讓人不禁質疑 “歐羅巴快船”能否存活足夠久。

“我當時心都碎了?！被貞浧鸢l現問題那天的場景，埃文斯說，“我們簡直無法想象該何去何從。但退一步冷靜下來后，我們開始有條不紊地梳理思路”。

在獲悉問題后的短短一天內，一支團隊便投入了搶修工作。很快，他們就在“歐羅巴快船”上發現了超過1000個存在缺陷的晶體管。這些晶體管分布在飛船各處，集成于每個儀器系統中。它們還位于已經密封的電子設備艙內，這個特殊的屏蔽艙室堪稱整個任務的神經中樞。情況岌岌可危，行動刻不容緩：若為更換故障部件將飛船滯留在加州噴氣推進實驗室，“歐羅巴快船”將錯過發射窗口期，甚至可能永遠無法飛離地球?！拔颐客矶荚谧鲐瑝簦娴??！迸僚晾瓲柖嗵寡?，“這就像我們的飛船生病了，我們卻不知道它能否康復。這感覺太糟糕了”。

懷著賭一賭的信念，噴氣推進實驗室仍將“歐羅巴快船”送到了肯尼迪航天中心。整個夏天，憂心忡忡的科學家和工程師團隊日夜奮戰，甚至犧牲周末時間，為這個并非他們造成的棘手難題尋求解決方案。到8月底，他們終于找到了補救方法。

按照補救方案，科學家并不會更換每個缺陷部件，也不會修改觀測方案，探測器將按照原計劃飛行，遵循計劃好的軌道序列，以21天為周期圍繞木星運行，共環繞這顆巨行星80圈。在每次軌道運行中，它最多在輻射帶內停留一天。在其余時間，當“歐羅巴快船”遠離最嚴酷的輻射區域時，團隊會啟動探測器的部分加熱器，加熱受損電路，希望通過“退火”（熱處理）過程修復輻射造成的部分損傷。退火可以讓材料中的晶格缺陷重排，恢復輻射引起的性能退化，從而維持晶體管的功能性。

這個方案如奇跡般完美，幾乎令人難以置信，故障元件對“歐羅巴快船”科學任務的預期影響微乎其微?！捌鸪跷揖趩手翗O?！卑Ｎ乃够貞浀溃暗斠磺袎m埃落定時，我深受震撼。團隊所取得的成就令我肅然起敬”。

機遇與責任

當“歐羅巴快船”飛掠木衛二時，它搭載的9臺科學儀器將對準這顆衛星，嘗試揭示其運作機制。它們將繪制詳細的地表地圖，測量冰殼厚度，并探究冰層內是否存在類似地球南極冰蓋下的海水透鏡體。這些儀器還將遠程探測冰層下的海洋，這片海洋可能與富含礦物的巖質海床相連。儀器還將分析衛星的表層成分，挖掘更多關于這片隱藏海洋的信息，揭示可能驅動外星生態系統的化學機制。

“如果我們在木衛二探測到水、能量與化學物質，一系列新的問題將會出現。”NASA首席科學家尼古拉·?？怂乖诎l射前簡報會上表示，“但倘若未發現水、能量與化學物質，同樣會引發一連串疑問：為何我們曾如此推測？為何木衛二并沒有這些現象？”

在飛行過程中，探測器還將搜尋木衛二噴射水蒸氣羽流的跡象——這些羽流于2013年被發現，它們類似土星衛星土衛二噴發的間歇泉，但規模更小，也更加隱蔽。據任務團隊透露，這些羽流正是促成“歐羅巴快船”任務的關鍵因素。如果探測器足夠幸運，它將有機會穿越羽流，直接采集木衛二的物質樣本。盡管NASA并未將此次任務定位為生命探測行動，但穿越羽流獲得的結果也可能與預期相反。不過，想要探測到生命的跡象，還需滿足多個低概率條件。

“存在太多不確定性，對吧？”帕帕拉爾多坦言，“是否存在羽流？羽流是否與海洋相連？海洋蘊含的生物標志物是否足夠豐富？質譜儀能否從海洋中獲取足量的樣本，進而分析有機物的特性，并讓我們進一步研究這些跡象是否指向生物活動？滿足這一系列條件并非不可能，但概率極低”。

即便其他目標未能實現，“歐羅巴快船”至少能為一個觀點提供實證：在生命形成的規則中，行星與恒星的距離絕非唯一關鍵因素。而理解宜居性的基本要素，對于填補德雷克方程的數值至關重要。這個框架由推測出木星輻射帶存在的天文學家弗蘭克·德雷克設計，自20世紀60年代初以來一直指導著地外生命的探索工作。

帕帕拉爾多說，這些問題“真的讓我回到了‘德雷克課程’的課堂，回想起我們曾經距離真相僅有一步之遙的種種奧秘”。其中，德雷克課程是1984年春季他在美國康奈爾大學修讀的一門本科天文學課程?！拔页３Ｋ伎嘉覀冊诘吕卓酥敢牡缆飞先〉昧硕啻筮M展。這并非精確的指引，而是一種廣闊的探索方向，召喚我們去開拓與追尋。”他說，“我們正在踐行，只是需要時間”。

從最宏大的意義上說，德雷克的影響幾乎涉及“歐羅巴快船”任務的方方面面。他毫不掩飾探究地外生命等重要問題的意愿，直至90歲高齡仍沉醉于觀測木星及其衛星。他常常在加利福尼亞州圣克魯茲郊外的山丘上，凝望著土星從環繞他家的紅杉林間升起。但德雷克未能親眼見證“歐羅巴快船”升空，他于2022年離世，他提出的經典公式讓人類得以應對身處宇宙的孤獨感。如今，天體生物學已然崛起并日趨成熟。在“歐羅巴快船”的首席科學家團隊中，許多人在20世紀70、80年代曾是“旅行者”號或“伽利略”號項目團隊的研究生或博士后，并由此開啟職業生涯。今天，他們已執掌航向。同時，新一代的行星科學領軍者正投身于“歐羅巴快船”的研發工作，在人類向外太陽系發射首批探測器時，他們中的許多人甚至尚未出生。

時間似乎是探索外太陽系最需要的資源。每位“歐羅巴快船”團隊成員都深知，想要近距離觀測木衛二，這可能是他們轉瞬即逝、一生僅此一次的機會。因為對于外太陽系探索而言，作為科學家，“你必須接受自己只是更偉大事業中的一環?！蹦岵f道，“你必須愿意為比自身更宏大、比自身生命更持久的事業奉獻”。因此，“歐羅巴快船”團隊決定，為這場從一個海洋世界到另一個海洋世界的首次航行做些紀念。

密封飛船核心控制艙的鉭金屬銘牌上，朝向星辰的一面鐫刻著103種語言書寫的“水”的視覺符號，銘牌內側面向飛船心臟處則鏤刻著更深層的感悟。其中一則是美國桂冠詩人埃達·麗蒙的詩作，它描繪的水如紐帶般聯結了人類、木衛二和地球。另一則是行星科學家羅恩·格里利的肖像，是他的領導成就了今天的“歐羅巴快船”。

而銘牌的最頂端鐫刻著德雷克方程，字跡正是德雷克的手寫體。

與我們曾向星辰發送的其他信息不同，“歐羅巴快船”的信息僅能抵達木星系統。當這艘承載著人類夢想與銘文的探測器完成使命時，它將墜入木衛三，任何“搭便車”的地球微生物都不太可能在這顆衛星毫無生機的表面存活。那塊銘牌及其記載的人類文明信息將隨著任務終結而消失。這結局苦樂參半，但此舉將保全可能蘊藏地外生命的木衛二，留待后世繼續探索。

（作者：納迪婭·德雷克）

（圖文均由《環球科學》雜志社供稿）