美国出台新的探测木卫二计划

□ 尹怀勤

美国出台新的探测木卫二计划

□ 尹怀勤

3月28日，据国外媒体报道，在历时20年的研发之后，对木卫二的探索终于即将拉开新的帷幕。这也许将成为我们在太阳系中找到外星生命的最佳机会，因而引起了人们的关注。

未来探测器将着陆在木卫二表面，探测其表面的详细状况

木卫二上的羽状喷流示意图

科学家认为水在土卫二海底岩石的相互作用下会产生氢气

科学家认为在木卫二的冰层下面存在液态海洋

对木卫二冰下海洋进行探索的穿冰机器人和潜水机器人想象图

木卫二生命假说

木卫二又名欧罗巴，是太阳系最大行星木星的63个卫星中一颗冰封的卫星，仅比月球稍小一点儿，直径为3100千米，在距离木星67万千米的圆形轨道上运行。它被木星潮汐锁定，如月球与地球的关系一样，永远面对着木星。与月球不同的是，木卫二具有含氧的稀薄大气层。

以前的航天探测器发回地球的数据资料表明，从远处望去，木卫二上仿佛镌刻着许多暗色的条纹，而靠近了看，它们其实是冰面上长长的裂隙，许多冰隙中充满了棕色浆糊。除冰隙之外，其他地方则地形多变、崎岖不平。经综合分析研究，科学家们认为，木卫二内部有一个金属核，核外是石质的壳，壳外是液态水海洋，海洋表面是冰层。

1996年8月，美国科学家们根据“伽利略”号木星探测器提供的资料推测木卫二上可能存在海洋以后提出，它的海底也可能存在火山，其喷发提供的热量足以使某些不需要阳光和空气的微生物生存下去，这一论点被称为木卫二生命假说。1997年初，科学家们根据1996年末“伽利略”号提供的照片发现木卫二上有水流以后认为，木卫二冰层下面有水、充足的热量和有机化合物这三个生命存在的基本要素，其环境很有可能符合宇宙生物学的标准。地球海洋深处一些火山的周围，没有阳光和氧气的极端恶劣的自然环境中都有原始微生物繁衍生息，就是因为这些地方都具备上述三个条件。提出和赞同木卫二生命假说的科学家们认为，从环境条件推断，其生命形态只能是低级的海洋生物。正因如此，在对太阳系行星及其卫星的探测中，科学家们最重视的是火星、木卫二和土卫六。自从上世纪90年代探索木卫二的概念诞生以来，美国、俄罗斯和欧空局的科学家们就不断提出各种不同的探测木卫二的计划，如用导弹轰击取样分析，用航天器进行近空探测，用航天器着陆探测，用机器人钻入海洋探测，但由于经费问题最终都不得不取消。尽管如此，木卫二仍是最激动人心的寻找地外生命的目标之一。

木星的巨大引力产生的潮汐力使木卫二周期性地拉伸与扩张。但木卫二的地表之所以如此崎岖多变，主要还是因为这层冰壳漂浮在液态水构成的海洋之上。木卫二的液态水可能深达地表下方80千米至170千米，意味着其液态水储量很可能是地球上全部海水总和的两倍。除此而外，木卫二海洋中也许还存在其他物质，如微生物的能量来源等。不仅如此，这片地下海或许还能通过多种途径与地表相连，如从冰壳中冒出的、温度较高的少量冰屑。2014年1月“哈勃”空间望远镜拍摄的图像显示在木卫二南极附近存在羽状喷流，高度竟达200千米。因此，对木卫二地表的探索或能帮助人类更好地了解其地下海水及其物质状况。

新型探测器探测木卫二示意图

计划再探木卫二

目前，美国航宇局正在筹备两项木卫二探索计划，并在3月份于休斯顿举行的第48届月球与行星科学大会上开展了相关讨论，以完善其实施方案。第一项任务名叫“木卫二快艇”，预计将于2022年启动。第二项任务则是计划让探测器登陆木卫二表面，预计于几年之后开展。

美国航宇局喷气推进实验室“木卫二快艇”项目科学家罗伯特·帕帕拉多博士表示：“我们正在探索木卫二宜居的可能性，寻找水和能量来源等生命必备物质。为达到这一目的，我们将分析地下海和冰壳的组成成分和地质构造。”

“木卫二快艇”探测器将携带9台设备，其中包括用来拍摄木卫二表面的摄像机，用来分析其成分的质谱仪，可穿透冰层寻找地下水并对冰壳开展三维测绘的雷达，以及用来分析海洋特征的磁力计。以前“伽利略”号所采集到的磁场数据表明，木卫二在木星磁场的影响下自身产生了一个感应磁场。鉴于木卫二强劲的磁场，能够困住并加速宇宙粒子，如果让“木卫二快艇”轨道深入其周围运转，这一过程中形成的高强辐射带对于探测器的电子元器件危害巨大，致使开展任务的时间大大缩短，仅能持续几个月乃至几周。正缘于此，“木卫二快艇”探测器为减少辐射，不是环绕木卫二运行，而是将采用围绕木星飞行的方式，在3年半的时间里，至少开展45次近距离飞掠木卫二的行动，对其进行探测，并把获得的数据资料发回地球，供科学家们分析研究，从中得出应有的结论。科学家们首先要解决机械挑战，如仪器在木星辐射带中的运行问题。探测器设备必须用钛之类的金属隔离起来，但仪器又不能被保护得太严密，否则就无法探测木卫二。因此为保障探测器安全，美国航宇局不得不改变行动路线，采用上述飞行方式。

木卫二强大的磁场形成的高强辐射也对其地表造成了影响，促进了氧化物的产生。而在地球上，氧化物与还原化合物间发生的氧化还原反应恰好为生命提供了所需的能量。

不过，木卫二地表生成的氧化物只有进入地下海才能为微生物所用。好在使地下水上涌的对流过程也能将地表物质带入地下。进入地下海之后，氧化物便可与海水和岩床反应生成的还原物发生化学反应，孕育和存活低级生命。对于科学家们而言，这些计划中的任务意味着20年来的梦想即将实现。

“我们可以绕开围绕木卫二飞行带来的技术问题，提高任务可行性，同时通过增加飞掠次数，取得同样的探测结果。”参与该项目的科学家指出。木卫二附近的光照强度仅有地球上的30分之一，但美国航宇局仍计划采用太阳能电池板为其提供能量，而不是其他太阳系外层探测任务使用的放射性发电机。

有美国国会的支持，才使探索木卫二的两个方案得以出台。虽然木卫二登陆器尚未得到美国总统2018年预算拨款，但美国航宇局行星科学部门主管吉姆·格林博士表示：“这项任务极其激动人心，因为它能从人类难以到达的星球表面告诉我们，人类还需开展怎样的研究。”“我们还有很长的路要走，必须勤勤恳恳，弄清我们需要进行哪些测绘工作。未来获得了足够的资金之后，我们才能顺利开展下一步研究。”这也说明这项任务势在必行。

20年来，科学家们提出了许多新颖的木卫二登陆器设计方案。马拉德太空科学实验室的格林特·琼斯博士针对其中一种名叫“穿透器”的设计进行了研究。“这一技术还未实际采用过，但可行性很高。”该探测器将被人造卫星弹射出来，以每秒300米的高速重重砸向木卫二表面，从而使内部冰层暴露在外，供仪器进行分析。当然，这些仪器经过了特殊设计，能够承受剧烈撞击。而美国航宇局设计的登陆器将采用2012年“好奇”号登陆火星时运用的“空中吊车”技术，缓慢降落在木卫二表面。着陆时，登陆器将开启自动着陆系统，实时监测地面情况，避开危险因素，进而开展探测工作。

“木卫二快艇”探测器可以事先从空中确定合适的着陆地点，提前为登陆器选点做好准备。它可以寻找地下水距地表较近的区域，也许这些地方温度较高、还存在有机物。登陆探测器将配备高敏仪器，还将配有一台反旋钻，用来钻取木卫二地表冰层下方的样本，以便进行分析研究，获得其实际组成情况的数据资料。

在这幅由“伽利略”号探测器拍摄的木卫二影像里，可见到数片明亮的水冰平原、裂缝以及可能混杂着冰和尘土的暗斑

美国航宇局喷气推进实验室开发的一个机械爪，计划在登陆木卫二的探测器上使用

登陆器的目标是获取全新的研究样本，这可以通过两种方法实现：一是挖至地下深处，二是寻找地表有喷射活动的区域，因为这些地质活动会将新鲜的地下物质带到地表。近年来，“哈勃”空间望远镜在木卫二表面都观测到过冰屑从地下喷出的现象，登陆器将派往更近期的喷发地点。因此，科学家需要弄清这些间歇性的喷发现象究竟由何种因素控制。“木卫二快艇”号探测器将确定它们是否与木卫二地表温度较高的热点区域有关。

此次登陆器任务的目标不仅是探测到外星生命，还需要让人们相信航天科技已经做到了这一点。因此，该项目团队用了两天时间，专门说明这一问题。结论就是任何探测结果都必须以通过直接测量得到的大量独立证据为基础。有关科学家希望相关探讨能够早日开展，这样等登陆器抵达木卫二表面时，他们就可以专注于数据分析了。不言而喻，这件事不能一蹴而就，不能开展了一次测量之后就宣称找到了外星生命，只有整体结果才能说了算。科学家们同时也提出了对观测结果的解读框架。这一框架构建了包含各种结果的可能性。最终得到的结论要么是找到了外星生命，要么是没找到外星生命。

探测木卫二有无生命的意义在于，除弄清真相外，还可验证宇宙生物学标准。如果发现了木卫二上有生命，那就证明宇宙生物学标准至少适用于太阳系天体。如果推断条件属实而未发现生命，则需修正这一标准。如果推断条件不存在，则另当别论。无论获得何种真实情况，都能深化人类对木卫二乃至太阳系天体的认识，促进空间科学的发展。毫无疑问，假若证实木卫二具有可以宜居的环境，将来不仅可能向其移民，而且还可将其作为人类飞向更远天体的中途站，因为木卫二上的水能分解成氢和氧气，冷冻后能成为火箭的液氢、液氧推进剂。