長途跋涉到木星，只為找到水

開欄的話

(相關資料圖)

航天員在太空中怎么生活？月球和火星探測任務有什么新發(fā)現？我們找到暗物質的證據了嗎？隨著我國航天工程的成功實施，太空知識科普更容易吸引公眾的關注，尤其是激發(fā)青少年的好奇心和求知欲。

為了更好科普太空領域科學知識，科普時報社聯合中國空間科學學會開辟太空科普專欄，科普空間科學最新研究進展和成果。對于新航天任務、太空領域相關的大型設備設施、未來計劃等，會定期請專家解讀其中的科學背景知識。同時，專欄也會報道太空科普活動，邀請相關專家分享在太空科普方面的經驗。欄目由中國空間科學學會科普工作委員會主任、中國航天科普大使劉勇主持。

歐洲航天局4月14日在法屬圭亞那用阿麗亞娜5號運載火箭將木星冰衛(wèi)星探測器（Juice）送入軌道。探測器主要目標是探測木星及其最大的三顆冰衛(wèi)星——木衛(wèi)二、木衛(wèi)三和木衛(wèi)四的外層冰殼之下潛藏的液態(tài)水海洋。

冰衛(wèi)星外殼下是否潛藏海洋

木星冰衛(wèi)星探測器會在行星際空間航行8年，于2031年到達木星。進入木星軌道后，探測器將會在距離衛(wèi)星200至1000公里內近距離經過3顆冰衛(wèi)星，以前所未有的細節(jié)深入刻畫木星衛(wèi)星的結構特征和潛在的生命宜居性。探測器將兩次飛掠木衛(wèi)二，并分別對木衛(wèi)三和木衛(wèi)四進行12次和21次飛掠探測，最后環(huán)繞木衛(wèi)三進行至少9個月的探測。這是人類第一次發(fā)射飛船去環(huán)繞另一個行星的衛(wèi)星，在此之前只有繞月球的飛行器。

此前，科學家已對木星進行多個深空探測任務，例如“旅行者1號”和“旅行者2號”、“伽利略”號、“卡西尼”號，以及正在木星軌道執(zhí)行任務的朱諾號。

人們曾經認為，這些冰衛(wèi)星不過是死寂的冰礫巖塊。但通過此前幾個衛(wèi)星探測器對木星冰衛(wèi)星所進行的探查，我們認識到這些遙遠的衛(wèi)星實際上類似于行星，具有豐富的地質活動歷史，這對于人類探索宇宙中可能的地外生命具有重大意義。在此之前，我們在搜尋可能具有宜居性的天體時，往往把目光聚焦在諸如火星的類地行星，認為類地行星具有與地球相似的歷史，可能曾經擁有大氣層和海洋。

在我們最為熟悉的地球上，人們已經知道即使在最為幽暗的海底深淵，只要有海底熱泉給出的一點點熱量，生命就能頑強綻放。而木星的3顆最大的冰衛(wèi)星向我們展露了一個極其重要的線索：在它們的冰外殼之下，可能潛藏著以液態(tài)水形式存在的海洋。那么我們很自然地就要發(fā)問：在遙遠的木星冰衛(wèi)星的海洋底部可能存在生命嗎？

木星冰衛(wèi)星探測器的任務正是為此而生。根據從地球生命得到的經驗，我們認識到生命產生的3個基本要素，即液態(tài)水、熱源和有機物，并且這三要素需要在足夠長的時間里穩(wěn)定存在，這樣生命才有可能產生。相較于火星等類地行星，太陽為非常遙遠的木星和土星提供的光和熱是極其有限的。因此，長久以來人們就認為，這些巨行星和它們的衛(wèi)星不可能有液態(tài)水和生命。但是通過“伽利略”號和“卡西尼”號的觀測，人們意識到盡管木星的3顆冰衛(wèi)星的最外層被厚厚的冰殼覆蓋，但是衛(wèi)星的內核仍然可能產熱，而這個熱源就有可能在冰外殼之下產生并維持液態(tài)海洋，使其成為現存或滅絕的生命的棲息地。

借助引力助推近距離探查冰衛(wèi)星

由于木星冰衛(wèi)星探測器的主要目標是近距離探查3顆冰衛(wèi)星，在任務前期環(huán)繞木星階段，探測器需要通過不斷進行變軌來多次飛掠衛(wèi)星，這就導致必須用大量燃料對探測器進行推進和制動。

木星冰衛(wèi)星探測器重達約6噸，其中約3噸都是燃料，而搭載的10臺最先進的科學儀器總重量只有約100千克。也正是因為大量燃料必須用于供給進入木星軌道之后的復雜變軌，探測器需要以犧牲地球至木星的時效性為代價——飛船無法攜帶足夠多的燃料進行快速的行星際航行。結果采取的妥協(xié)方案是：長途跋涉沒有干糧，那就一路靠天吃飯——借助太陽系天體的引力進行助推。因此，在長達8年的行星際航行中，探測器將于2024年8月重返地球附近，并進行地—月系統(tǒng)引力助推，然后于2025年8月進行金星引力助推，最后將于2026年9月和2029年1月兩次重返地球，分別進行兩次地球引力助推。也就是說，探測器將花費近6年的時間與地球和金星一起繞著太陽原地轉圈圈，耐心地借助地球和金星的引力逐步加速。在2029年的最后一次地球引力助推中，探測器將最終獲得足夠高的速度，然后用兩年時間快速飛抵木星。經受高能輻射“槍林彈雨”考驗

經過艱苦跋涉進入木星軌道后，木星冰衛(wèi)星探測器還將面臨另一個重要考驗——木星附近空間中惡劣的高能帶電粒子輻射環(huán)境。

木星的磁場是太陽系所有行星中最強的，因此能夠捕獲大量速度極為接近光速的超高能帶電粒子，形成比地球嚴峻得多的高能粒子輻射環(huán)境。如果近地空間的粒子輻射環(huán)境是北京春天的揚塵，那么木星的粒子輻射就好比撒哈拉的沙暴。

作為探測器的主要目標，木衛(wèi)二和木衛(wèi)三離木星更近，因此這兩顆衛(wèi)星的軌道都深埋于強輻射的“槍林彈雨”中。為了能夠在惡劣輻射環(huán)境中生還，探測器只能對離木星最近的木衛(wèi)二進行兩次飛掠，而對木衛(wèi)三和最遠的木衛(wèi)四則會分別實施12次和21次飛掠。在此過程中，探測器搭載的磁強計和粒子探測器等儀器將對冰衛(wèi)星附近的木星磁場和高能粒子環(huán)境進行全面測量，并進一步解析木星的強磁場和粒子輻射環(huán)境會對冰衛(wèi)星的表面造成何種影響。這對于探查衛(wèi)星冰外殼之下可能潛藏的生命是至關重要的，因為高能粒子不僅能夠擊穿飛船和儀器載荷造成損毀，也會對包括人類在內的生命體構成威脅，這也是載人往返火星必須克服的重大難題之一。

與之前探測木星的前輩相比，此次探測器名稱（Juice意為果汁）一下子就變成了清甜與輕快。但這并非源于不知前路艱難的懵懂，而恰恰相反，木星冰衛(wèi)星探測器是在洞察了上下求索的險峻后，褪去厚重苦澀的果皮，給木星敬上的一杯小甜水。它實則與前輩們秉持著同樣的信念，到木星的極端環(huán)境中去探尋生命的可能性，因為人們堅信，即使在最為幽暗的深淵，只要給出一點點光和熱，生命就能頑強綻放。

干杯，Juice！敬太陽系行星之王，敬一往無前的深空探索者，敬廣袤宇宙中的生命。

（作者系中國科學院地質與地球物理研究所副研究員）

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