在木星，JUICE 和“快船”号将携手寻找生命

如果太阳系的其他地方存在生命，那么木星巨大的冰冷卫星很可能是寻找生命的最佳地点。

科学家们认为，巨大的海洋潜伏在它们内部，木星巨大的引力场不断地搅动使海洋保持液态，而厚厚的冰层则保护它们免受这颗行星恶劣的辐射带的影响。“我们在地球上学到的是，哪里有水，哪里就经常能找到生命，” 英国开放大学的马克·福克斯-鲍威尔说。“当我们放眼太阳系时，现在拥有[液态]水的地方真的仅限于地球以及木星和土星的卫星。”美国国家航空航天局和欧洲航天局的卡西尼-惠更斯任务从 2004 年到 2017 年详细研究了最后一颗行星及其卫星，它们仍然隐藏着科学家们有朝一日会去探索的秘密。目前，所有的目光都集中在木星上。

一项新的任务即将开始，该任务旨在访问我们太阳系中最大的行星，并调查其卫星的宜居性。欧空局的 JUICE——木星冰卫星探测器——已经运往法属圭亚那，以便于 4 月由欧洲阿丽亚娜 5 号火箭发射升空。这艘重达 6 吨的 JUICE 探测器将花费 8 年时间到达木星，在此过程中，它将利用来自地球、金星和火星的引力助推来节省燃料。在 2031 年 7 月抵达木星后，这台太阳能驱动的机器将把其 10 台科学仪器集中在木星最大的四颗卫星中的三颗——木卫二、木卫三和木卫四——所有这些卫星都被认为拥有地下海洋。木卫三是太阳系中最大的卫星，将受到 JUICE 的最多关注。在初步勘测之后，探测器将于 2034 年进入木卫三轨道。“我们正在努力描述木卫三可能具有的宜居性，” 英国莱斯特大学的艾玛·邦斯说，她是 JUICE 团队的成员。

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欧空局并不是唯一一家将目光投向木星的航天机构。最终成为 JUICE 的概念于 2008 年作为欧罗巴木星系统任务 (EJSM) 的一部分而出现，这是一项与 NASA 的合资项目。这项合作努力呼吁欧洲建造一艘以木卫三为中心的航天器，而 NASA 将为木卫二建造一个探测器。然而，美国的资金问题导致 NASA 在 2010 年代初期终止了 EJSM，让欧洲独自飞行。“我们没有钱，” 美国提案团队成员、约翰·霍普金斯大学应用物理实验室的路易丝·普罗克特说。“这扼杀了木卫二部分。”这种情况令人失望，但并非完全出乎意料。“这些事情时有发生，” 伦敦帝国学院的米歇尔·多尔蒂说，他曾在 EJSM 的欧洲方面工作。

2013 年，救赎来了，当时 NASA 探索木卫二的努力获得了国会新的支持和资金。美国项目最初名为欧罗巴多次飞越任务，最终更名为欧罗巴“快船”号，取自 19 世纪的“快船”商船。国际合作得以重生，但大部分都减少了。“规模缩小了很多，” 普罗克特说，尽管她估计最初计划的联合科学研究仍有约 70% 可以实现。有了这两项任务，我们对木星及其卫星的了解必将大大增加。这些航天器将告诉我们，在这些世界的神秘地下海洋中是否可能存在生命，为未来直接寻找此类生命的证据的任务奠定基础，甚至可能潜入海洋本身。我们还不能前往其他恒星周围的异星世界，但木星可能会提供下一个最佳选择。

最早的卫星

木星领域通常被视为一个微型太阳系，因为这颗行星的卫星——尤其是它的四颗最大的卫星，即伽利略卫星，以意大利天文学家伽利略·伽利雷的名字命名，他在 1610 年发现了它们——的复杂性和多样性。它们的发现震撼了人们对宇宙的理解，揭示了第一个已知的围绕太阳或地球以外的天体运行的物体，从而验证了哥白尼的宇宙模型，该模型并没有把我们放在宇宙的中心。现在已知木星有 92 颗天然卫星。然而，即使是伽利略也可能没有意识到 400 年后他的卫星会变得多么令人着迷，或者它们在宇宙其他地方寻找生命的过程中可能会变得多么关键。

第一个冒险进入木星领域，包括卫星在内的航天器是 NASA 的先驱者 10 号探测器。它于 1973 年 12 月飞掠过这颗行星，提供了我们第一批近距离拍摄到的壮丽气体巨星的图像。1979 年 3 月，NASA 的旅行者 1 号探测器的飞掠被证明更加引人注目。该探测器拍摄的木卫二图像显示，它有一个明亮、冰冷、没有陨石坑的表面，这暗示某种地表重塑过程使其地壳保持新鲜和无瑕。科学家们推测，最好的解释是地表下有一个看不见的液态水库——考虑到地球上生命追随水的踪迹，这是一个诱人的选择。

1995 年 12 月，NASA 的伽利略号任务成为第一个绕木星运行的任务，并取得了许多发现——例如，木星的第三大卫星木卫一，是太阳系中火山活动最活跃的世界。伽利略号在 1996 年在木卫二上获取的数据发现，有什么东西正在扰乱木星的磁场，这为木卫二表面下液态水的晃动提供了更有力的暗示。木卫二存在液态海洋的最佳证据出现在二十年后，当时哈勃太空望远镜发现了从木卫二表面喷出的水柱。伽利略号探测器绕木星运行了八年，于 2003 年结束任务，“这是一项非常棒的任务，” 欧空局 JUICE 项目科学家奥利维尔·维塔斯说。“我们真的是站在伽利略的肩膀上。”

在 NASA 的朱诺号探测器于 2016 年抵达木星之前，没有其他探测器绕木星运行。朱诺号今天仍在运行，但它专注于木星本身，以环形轨道掠过木星，以探测这颗行星的内部，拍摄其剧烈的风暴，并监测其巨大的磁场。该探测器拍摄了一些木星卫星的图像，但真正揭示它们的秘密还需要专门的任务。这就是 JUICE 和“快船”号的用武之地。

卫星跳跃和羽流观测

“快船”号将于 2024 年秋季在 SpaceX 猎鹰重型火箭上发射。尽管发射日期较晚，但其更强大的运载火箭将使该探测器比 JUICE 更早一年多到达木星，即 2030 年 4 月。它不会像 JUICE 绕木卫三运行那样绕木卫二运行，因为木卫二靠近木星，使其危险地深入行星的辐射带内。“快船”号将在木星系统中飞行时进行约 50 次木卫二飞掠，使其能够绘制木卫二内部地图，并确定其地下海洋的范围，同时研究其他目标。“由于辐射环境，将轨道飞行器放置在木卫二周围意味着你只能存活一到三个月，辐射就会杀死你，” NASA 总部位于华盛顿特区的欧罗巴“快船”号项目科学家科特·尼布尔说。“我们意识到，我们可以改为飞掠，收集我们的数据，然后逃离辐射较低的区域。这样我们就可以持续数年，而不是几个月。”

在它们的重叠任务期间，JUICE 和“快船”号将在木星的景点之间跳跃，进行复杂的探戈舞，并有大量的合作机会。“同一个系统中有两个航天器真是太棒了，” 维塔斯说。来自这两个任务的大约 20 位科学家每周都会以虚拟方式会面，作为 JUICE-“快船”号指导委员会的一部分，该小组正在制定关于这两个航天器如何在木星上同步的想法。“我们正忙于讨论科学机会，并制定一个计划” 以提交给 NASA 和欧空局，邦斯说，他与普罗克特共同担任委员会主席。邦斯说，虽然“一些细节与最初的 EJSM 合作略有不同”，但总体梦想仍然存在。“最初的计划是一项任务专注于木卫三，另一项任务专注于木卫二，” 她说。“这就是我们现在拥有的。”

一种可能性是，每个航天器都可以充当另一个航天器的观察员。例如，当“快船”号准备掠过时，JUICE 可以从远处密切关注木卫二——这是一个有价值的伙伴关系，特别是如果真的有液态水羽流从覆盖冰层的裂缝中喷出。窥视这些羽流可能会导致研究“只有几分钟历史”的海洋喷射物，福克斯-鲍威尔说。“它真的给了我们一个研究原始事物的机会。”当“快船”号接近木卫二时，JUICE 可以寻找从表面喷发的羽流，让“快船”号将目光投向那个方向。“如果 JUICE 发现了一个羽流，那可以告诉我们该往哪里看，” 普罗克特说。“快船”号甚至可能会幸运地穿过一些羽流，使其能够直接对其进行采样，并寻找可能暗示木卫二海洋中存在生命的复杂分子迹象。

JUICE 将在绕木卫三运行之前进行两次木卫二飞掠。2032 年 7 月的那次飞掠将与“快船”号的飞掠仅相隔四小时。“我们可以同时进行类似的测量，” 维塔斯说。这可能会进行一些令人兴奋的科学研究，尽管确切的细节尚未确定。“我们不会飞越同一地点，但这肯定会非常有趣，” 他补充道。“我们可以拍摄相似的表面特征，或者如果有羽流，我们可以从不同的几何角度观察它。”

对木卫二的共同关注部分是基于科学家们的怀疑，即这颗卫星的液态水海洋与岩石核心直接接触。那里的热液喷口——海底的开口，来自深处的更多热量可以通过这些开口逸出——可以提供足够的能量和营养来维持生命。“在地球上，我们有热液喷口，那里有整个生物群落，” 福克斯-鲍威尔说。“我们有充分的理由相信，类似的化学反应正在木卫二上发生。”然而，木卫三更大的体积意味着更高密度的冰可能已经沉到其海洋底部，形成了一个阻挡喷口的屏障。“它可能会将岩石核心封锁起来，” 福克斯-鲍威尔说。“木卫二没有大到足以产生那么大的引力和压力，因此不会形成高压冰。”

两项任务，同一个愿景

这一切都没有排除木卫三的宜居性可能性，也没有削弱这颗卫星的科学价值。在 2034 年 12 月进入木卫三轨道后，JUICE 将勘测整个表面，研究这颗卫星的磁场，并尝试绘制其水生内层的地图。多尔蒂说，对于一个可能宜居的环境来说，它需要“热源、液态水、有机物质和稳定性”。“在[土星的卫星]土卫二上，我们知道我们有三样东西。在木卫二上，我们也有三样东西。在木卫三上，我们正在努力找出答案。”虽然 JUICE 最初将从木卫三上方 5,000 公里的高轨道开始运行，但在九个月的时间里，JUICE 将将其高度降低到木卫三表面上方仅 200 公里处。最终，在 2035 年任务结束时，探测器将被故意撞击到表面，以最大限度地减少任何碎片污染木卫二的可能性。人们认为木卫三没有羽流活动，但如果确实存在羽流活动，或者发现其冰壳特别薄，则可能需要重新考虑这个结局，以免污染木卫三的液态海洋。“如果有任何迹象表明内部海洋与外部表面之间存在联系，我们可能需要改变我们的轨道，” 欧空局 JUICE 项目经理朱塞佩·萨里说。

“快船”号将提供关于木卫二及其海洋的类似程度的知识。然而，它的设计目的不是寻找生命的确凿证据；充其量，它或许会在木卫二的羽流中看到生命的成分。生命探测可能会在未来的任务中进行，例如 NASA 备受追捧的欧罗巴着陆器。NASA 喷气推进实验室的科学家和工程师多年前就起草了该任务的概念，但它仍在等待进一步的资金。“欧罗巴着陆器一段时间以来一直没有出现在总统的预算或国会通过的预算中，” 尼布尔说。与此同时，美国国家科学院在 2021 年底发布的美国行星际探索路线图将欧罗巴着陆器任务列为 NASA 优先于其他项目的较低优先级。

目前，这项工作已存档，准备好等待重生。“我确信欧罗巴‘快船’号将学到的知识将使我们想要再次前往木卫二，而某种着陆器是合乎逻辑的下一步，” 尼布尔说。“但也许‘快船’号会给我们一个意外，着陆器不是正确的方法。也许我们想在羽流中悬停而不是着陆。”

如果科学家们真的想在这片外星海洋中潜水，那么突破数公里厚的冰层本身就带来了挑战。一种可能性是，着陆器可以包括一个热探针，以融化冰冻的地壳。去年，现在在佛罗里达理工学院的宝拉·杜瓦莱·佩雷拉领导了一项实验，以了解这可能需要多长时间，她使用了一个两米高的低温冰柱，称为欧罗巴塔，来模拟木卫二的表面。她在 2023 年 1 月初在西雅图举行的第 241 届美国天文学会会议上介绍了她的工作，她发现这项任务可能需要 3 到 13 年的时间——即使对于持续数十年的外太阳系任务来说，这也是很长的时间。

除了时间的流逝之外，还存在其他障碍。“找出一种方法，让电缆在着陆器和探测器之间传输电力和信息是一个很大的问题，需要在未来几年内解决，” 杜瓦莱·佩雷拉说。着陆器可能必须携带数公里长的电缆，并且电缆必须足够坚韧，能够承受探测器下降过程中周围的水重新冻结成冰。然而，解决此类问题的科学价值是巨大的，尤其是在外星海洋内部直接放置某种机器的前景。

这样的梦想离我们还很遥远。实现这些梦想的任何希望都取决于前往木星，并确认其冰冷卫星是我们认为的那样具有吸引力的目标。从 4 月的 JUICE 和明年的“快船”号开始，我们将解决一些关于木星卫星最令人好奇的问题，这些问题长期以来一直没有得到解答。伽利略号探测器“向我们揭示了值得再次前往木星，” 尼布尔说。现在我们正在这样做，而且不是用一艘而是两艘航天器——跨大西洋的合作伙伴关系，以显着推进在我们太阳周围寻找宜居性的工作。在我们的太阳系中，没有哪个世界像地球一样，但也许像木卫二甚至木卫三这样的地方是第二接近地球的地方。如果生命可以在这里生存，谁知道它还会在哪里繁荣发展呢？