長(zhǎng)途跋涉到木星，只為找到水

開(kāi)欄的話

航天員在太空中怎么生活？月球和火星探測(cè)任務(wù)有什么新發(fā)現(xiàn)？我們找到暗物質(zhì)的證據(jù)了嗎？隨著我國(guó)航天工程的成功實(shí)施，太空知識(shí)科普更容易吸引公眾的關(guān)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(lǐng)域科學(xué)知識(shí)，科普時(shí)報(bào)社聯(lián)合中國(guó)空間科學(xué)學(xué)會(huì)開(kāi)辟太空科普專欄，科普空間科學(xué)最新研究進(jìn)展和成果。對(duì)于新航天任務(wù)、太空領(lǐng)域相關(guān)的大型設(shè)備設(shè)施、未來(lái)計(jì)劃等，會(huì)定期請(qǐng)專家解讀其中的科學(xué)背景知識(shí)。同時(shí)，專欄也會(huì)報(bào)道太空科普活動(dòng)，邀請(qǐng)相關(guān)專家分享在太空科普方面的經(jīng)驗(yàn)。欄目由中國(guó)空間科學(xué)學(xué)會(huì)科普工作委員會(huì)主任、中國(guó)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(hào)運(yùn)載火箭將木星冰衛(wèi)星探測(cè)器（Juice）送入軌道。探測(cè)器主要目標(biāo)是探測(cè)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(cè)器會(huì)在行星際空間航行8年，于2031年到達(dá)木星。進(jìn)入木星軌道后，探測(cè)器將會(huì)在距離衛(wèi)星200至1000公里內(nèi)近距離經(jīng)過(guò)3顆冰衛(wèi)星，以前所未有的細(xì)節(jié)深入刻畫(huà)木星衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)特征和潛在的生命宜居性。探測(cè)器將兩次飛掠木衛(wèi)二，并分別對(duì)木衛(wèi)三和木衛(wèi)四進(jìn)行12次和21次飛掠探測(cè)，最后環(huán)繞木衛(wèi)三進(jìn)行至少9個(gè)月的探測(cè)。這是人類第一次發(fā)射飛船去環(huán)繞另一個(gè)行星的衛(wèi)星，在此之前只有繞月球的飛行器。

此前，科學(xué)家已對(duì)木星進(jìn)行多個(gè)深空探測(cè)任務(wù)，例如“旅行者1號(hào)”和“旅行者2號(hào)”、“伽利略”號(hào)、“卡西尼”號(hào)，以及正在木星軌道執(zhí)行任務(wù)的朱諾號(hào)。

人們?cè)?jīng)認(rèn)為，這些冰衛(wèi)星不過(guò)是死寂的冰礫巖塊。但通過(guò)此前幾個(gè)衛(wèi)星探測(cè)器對(duì)木星冰衛(wèi)星所進(jìn)行的探查，我們認(rèn)識(shí)到這些遙遠(yuǎn)的衛(wèi)星實(shí)際上類似于行星，具有豐富的地質(zhì)活動(dòng)歷史，這對(duì)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?cè)谒褜た赡芫哂幸司有缘奶祗w時(shí)，往往把目光聚焦在諸如火星的類地行星，認(rèn)為類地行星具有與地球相似的歷史，可能曾經(jīng)擁有大氣層和海洋。

在我們最為熟悉的地球上，人們已經(jīng)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(diǎn)點(diǎn)熱量，生命就能頑強(qiáng)綻放。而木星的3顆最大的冰衛(wèi)星向我們展露了一個(gè)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(wèn)：在遙遠(yuǎn)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(cè)器的任務(wù)正是為此而生。根據(jù)從地球生命得到的經(jīng)驗(yàn)，我們認(rèn)識(shí)到生命產(chǎn)生的3個(gè)基本要素，即液態(tài)水、熱源和有機(jī)物，并且這三要素需要在足夠長(zhǎng)的時(shí)間里穩(wěn)定存在，這樣生命才有可能產(chǎn)生。相較于火星等類地行星，太陽(yáng)為非常遙遠(yuǎn)的木星和土星提供的光和熱是極其有限的。因此，長(zhǎng)久以來(lái)人們就認(rèn)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(guò)“伽利略”號(hào)和“卡西尼”號(hào)的觀測(cè)，人們意識(shí)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(nèi)核仍然可能產(chǎn)熱，而這個(gè)熱源就有可能在冰外殼之下產(chǎn)生并維持液態(tài)海洋，使其成為現(xiàn)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(cè)器的主要目標(biāo)是近距離探查3顆冰衛(wèi)星，在任務(wù)前期環(huán)繞木星階段，探測(cè)器需要通過(guò)不斷進(jìn)行變軌來(lái)多次飛掠衛(wèi)星，這就導(dǎo)致必須用大量燃料對(duì)探測(cè)器進(jìn)行推進(jìn)和制動(dòng)。

木星冰衛(wèi)星探測(cè)器重達(dá)約6噸，其中約3噸都是燃料，而搭載的10臺(tái)最先進(jìn)的科學(xué)儀器總重量只有約100千克。也正是因?yàn)榇罅咳剂媳仨氂糜诠┙o進(jìn)入木星軌道之后的復(fù)雜變軌，探測(cè)器需要以犧牲地球至木星的時(shí)效性為代價(jià)——飛船無(wú)法攜帶足夠多的燃料進(jìn)行快速的行星際航行。結(jié)果采取的妥協(xié)方案是：長(zhǎng)途跋涉沒(méi)有干糧，那就一路靠天吃飯——借助太陽(yáng)系天體的引力進(jìn)行助推。因此，在長(zhǎng)達(dá)8年的行星際航行中，探測(cè)器將于2024年8月重返地球附近，并進(jìn)行地—月系統(tǒng)引力助推，然后于2025年8月進(jìn)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(jìn)行兩次地球引力助推。也就是說(shuō)，探測(cè)器將花費(fèi)近6年的時(shí)間與地球和金星一起繞著太陽(yáng)原地轉(zhuǎn)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(cè)器將最終獲得足夠高的速度，然后用兩年時(shí)間快速飛抵木星。
經(jīng)受高能輻射“槍林彈雨”考驗(yàn)

經(jīng)過(guò)艱苦跋涉進(jìn)入木星軌道后，木星冰衛(wèi)星探測(cè)器還將面臨另一個(gè)重要考驗(yàn)——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(chǎng)是太陽(yáng)系所有行星中最強(qiáng)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(yán)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(yáng)塵，那么木星的粒子輻射就好比撒哈拉的沙暴。

作為探測(cè)器的主要目標(biāo)，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(qiáng)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(cè)器只能對(duì)離木星最近的木衛(wèi)二進(jìn)行兩次飛掠，而對(duì)木衛(wèi)三和最遠(yuǎn)的木衛(wèi)四則會(huì)分別實(shí)施12次和21次飛掠。在此過(guò)程中，探測(cè)器搭載的磁強(qiáng)計(jì)和粒子探測(cè)器等儀器將對(duì)冰衛(wèi)星附近的木星磁場(chǎng)和高能粒子環(huán)境進(jìn)行全面測(cè)量，并進(jìn)一步解析木星的強(qiáng)磁場(chǎng)和粒子輻射環(huán)境會(huì)對(duì)冰衛(wèi)星的表面造成何種影響。這對(duì)于探查衛(wèi)星冰外殼之下可能潛藏的生命是至關(guān)重要的，因?yàn)楦吣芰Ｗ硬粌H能夠擊穿飛船和儀器載荷造成損毀，也會(huì)對(duì)包括人類在內(nèi)的生命體構(gòu)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(cè)木星的前輩相比，此次探測(cè)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(cè)器是在洞察了上下求索的險(xiǎn)峻后，褪去厚重苦澀的果皮，給木星敬上的一杯小甜水。它實(shí)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?yàn)槿藗儓?jiān)信，即使在最為幽暗的深淵，只要給出一點(diǎn)點(diǎn)光和熱，生命就能頑強(qiáng)綻放。

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

（作者系中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所副研究員）