欧罗巴任务预示着外星生命探索的巨大变革 [视频]

美国国家航空航天局 (NASA) 不喜欢宣传这件事，但自从 1958 年成立以来，该航天机构只进行过一次直接、有重点的对外星生命的搜寻——那还是 40 多年前的事了。

那发生在 1976 年，当时孪生海盗号着陆器在火星上不同的地点着陆，以寻找这颗行星荒凉、冻干的表面上潜伏的任何生命迹象。海盗号任务曾经是——现在仍然是——有史以来发射的最昂贵的行星科学任务，也是一项技术上的杰作，为未来所有行星际探索奠定了基础。然而，两个着陆器在寻找生命的过程中都空手而归，此后，NASA 倾向于进行一系列任务——其中大多数是前往火星的任务——这些任务改变了我们对我们邻近世界的理解，但它们小心翼翼地绕开了它们是否孕育生命这个核心问题。

现在，在火星沙漠中徘徊了数十年之后，NASA 的天体生物学家终于准备重新点燃在太阳系中直接寻找“第二次创世纪”生命的希望——但不是在人们可能认为的地方。这一次，他们将目光投向远超火星的地方，火星是我们行星邻居中最像地球的行星，而是投向外太阳系黑暗的深处，探测器和太空望远镜在那里揭示了越来越多关于冰冷卫星和矮行星内部隐藏海洋的诱人迹象。科学家们说，这些环境是由潮汐力而不是阳光加热的，可能孕育着生命。“这些海洋可能靠近地表，也可能更深，冰壳更厚，但那里一定有液态或泥泞状的水——甚至一直到冥王星，”NASA 行星科学部门主管、该机构初期的海洋世界探索计划的架构师詹姆斯·格林说。

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该计划的中心重点是欧罗巴，它是木星的一颗卫星，尽管略小于地球的月球伴侣，但据认为它包含的海洋体积是我们地球所有海洋总和的两倍。来自先前航天器飞越的数据暗示，欧罗巴的海洋已经存在数十亿年，并且与这颗卫星炎热的岩石核心直接接触，为生命在内部的某个地方开始提供了充足的时间和能量。任何欧罗巴生物圈都被锁定在平均厚度至少数十公里的地壳之下，可能永远无法触及。然而，偶尔海水会上涌，穿过地壳中的裂缝，在表面或接近表面处冻结，而哈勃太空望远镜最近的观测表明，海洋甚至可能通过从地表下喷发的类似间歇泉的羽流向太空释放大量水蒸气。如果天文学家能够收集到冰冻物质或蒸汽，他们可能会了解欧罗巴内部潜伏着什么，或者是否存在任何东西。

万众瞩目欧罗巴

NASA 已经在开发一个计划在 2020 年代发射的航天器，称为欧罗巴多次飞越任务。EMFM 将围绕木星运行，45 次掠过欧罗巴，以研究传闻中的羽流，测量这颗卫星冰壳的厚度，并以高分辨率绘制地表地图。然而，EMFM 只是一个序幕。根据国会在 2015 年下达的指令，该机构正在研究着陆器的概念，目的是在欧罗巴表面着陆，明确目的是收集和研究样本，以寻找外星生物。一个由 21 名生物学家、地质学家、空间科学家和飞行工程师组成的小组编写的新研究详细描述了潜在的着陆器，并预测它最早可能在 2031 年在欧罗巴着陆。“这才是我们真正想知道的，”格林说。“那个海洋里有什么，它有生命吗？着陆器实际上是为了下一步……我希望看到着陆器坐在羽流下——羽流拍打着它的甲板，新鲜物质从裂缝中涌出。现在，我们准备好了吗？还差一点。”

尽管国会强烈要求 NASA 探索欧罗巴，但并不能保证它实际上会为该机构提供任务所需的资金，而该任务显然没有标价。NASA 官员表示，成本估算将在稍后，在与科学界仔细协商后，更不用说国会中同情和有权势的成员了。

NASA 喷气推进实验室 (JPL) 的高级研究科学家和 EMFM 的项目科学家鲍勃·帕帕拉尔多认为，有充分的理由在短期内连续发射轨道飞行器和着陆器任务。“这就像花生酱和果冻——单独来看，它们都做不成美味的三明治，但放在一起就很棒，”他说，并补充说，任何一项任务本身都很棒。“EMFM 将解决欧罗巴全球宜居性的关键问题——它的地质、化学、表面变化以及液态水的位置。如果你真的想全力以赴，寻找生命迹象，那么你需要跟进这些发现，放大并下降到地表……我曾经认为这太遥远了，我们这辈子都看不到。现在，我不太确定了。”

乔纳森·卢宁仍然持怀疑态度。这位康奈尔大学的行星科学家已经看到太多任务提案在到达发射台之前就夭折了，因此对近期着陆器的前景过于乐观。“我希望在我的科学职业生涯中看到这一切发生，但我们还处于早期阶段，因此很难预测这会在何时发生，”他说。“我一直认为，政治过程——获得批准和资金——是行星任务可能面临的最危险的环境。”

来自海盗号的经验教训

无论何时——如果真有那么一天——NASA 的任务规划者批准了寻找生命的欧罗巴着陆器，海盗号的陷阱阴影将笼罩着每一个挑战。它如何安全着陆？应该去哪里？最重要的是，它应该如何寻找外星生命？

低分辨率轨道图像和简化的反推火箭迫使海盗号着陆器在沉闷、布满巨石的平原上着陆，事实证明，这些平原不利于寻找生命。着陆器携带了三个相对原始的生命探测实验，这些实验是在遗传学和微生物生态学仍处于起步阶段，以及对火星环境的了解还非常有限时构思出来的。每个实验都调查了土壤样本中是否有机体新陈代谢的迹象，即生物体赖以产生和利用能量的化学反应。然而，这些样本是从地表直接刮取的，那里强烈的紫外线辐射和宇宙射线会杀死几乎任何可以想象得到的微生物，从而消除了潜在的代谢特征。这些和其他麻烦确保了海盗号的实验并没有为火星上的生命提供有力的证据，而是给出了令人困惑、相互矛盾的结果。

相比之下，欧罗巴着陆器将不得不依靠截然不同的技术来进行着陆、操作和寻找生命，这主要基于从海盗号吸取的教训。

安全着陆，收集样本

在着陆器甚至接近欧罗巴之前，EMFM 的高分辨率侦察将有助于找到一个引人注目的着陆点——理想情况下是一个富含来自下方海洋的新鲜物质的年轻冰层区域，这些物质可能是通过裂缝向上挤压或像雪一样从附近的羽流中落下。它将使用像 2012 年在火星上轻轻放置 NASA 的好奇号探测车的“空中吊车”一样的方式着陆，从而提高在充满障碍物的地形中实现精确定点着陆的几率。“最大的技术障碍是设计一种能够安全地降落在很大程度上未知的表面上的航天器，”NASA 外太阳系任务的项目科学家科特·尼布尔说。“但是，如果我们能够迎接在欧罗巴着陆的挑战，那么我们就可以在任何地方着陆。”

尽管任务规划者尚未以非常高的分辨率绘制欧罗巴地图，但他们已经看到的较低分辨率图像显示，地形崎岖到足以让他们做噩梦，佐治亚理工学院的行星科学家、该研究的合著者布列塔尼·施密特说。“地球上的冰面非常复杂，而且我们观察到的欧罗巴在每个尺度上都很粗糙，因此找到一个平坦的地方可能是不可能的，”她说。“很难不担心这一点。火星对我们来说一直很困难——而且它远比欧罗巴平坦。”

许多最诱人的着陆点实际上也可能是最危险的——所谓的“混沌区域”，其定义是山脊、坑洼和裂缝杂乱无章地蔓延在它们之上。这些区域可能是液态水通过相对较薄的地壳接近地表的地方，导致上方的地面由于融化和再冻结的循环而坍塌和移动。施密特个人最喜欢的着陆点——也是该研究的主要候选地点之一——是泰拉·玛库拉，这是一个靠近可能的羽流源的混沌区域，也位于欧罗巴表面相对无辐射的区域。

如果欧罗巴着陆器成功到达地表，它将部署一套精密的仪器包，以表征其周围环境，并进行比海盗号时代可能进行的更广泛的生命搜索。立体相机将找到用于样本收集的目标，地震仪将使用冰震的回波绘制地下地图。光谱仪和显微镜将不再专注于新陈代谢，而是寻找生命的生物化学构建模块——有机分子，甚至可能是单个细胞——在机械臂雕刻或钻探的原始样本中，机械臂可以穿透月球表面下方多达 10 厘米。

尽管受益于 40 年的科技进步，但与海盗号相比，欧罗巴着陆器在一个关键领域将处于明显的劣势。木星卫星是一个更加陌生的场所，与地球或火星的相似之处更少，无法指导实验设计。“欧罗巴是下一个提出关于如何在地球之外探测生命这个始终棘手问题的正确地点，”NASA 戈达德太空飞行中心首席科学家、着陆器研究小组联合主席吉姆·加文说。“让这件事既令人兴奋又令人生畏的是，在与火星相比非常‘恶劣’的环境中设计必要的分析测量。”

在欧罗巴赤道，平均地表温度徘徊在寒冷的零下 160 摄氏度左右，整个地表不断遭受来自木星巨大磁场中捕获的粒子的致命辐射的轰击，更不用说偶尔到来的太空岩石了。着陆器的大部分精密仪器都将保持相对温暖并受到辐射屏蔽舱的保护，只留下机械臂和摄像头暴露在外。着陆器可能在该寒冷、恶劣的表面上运行一个月后就会失效。

阴影中的生物圈

欧罗巴内部神秘的水世界将宜居性的标准概念推向了极端，并需要一种全新的生命搜索方法。“丰富的光合生产力的影响渗透到我们的大气层、海洋和上地壳，因此我们对有人居住的世界是什么样子的直觉在很大程度上是基于这种背景的，”NASA 艾姆斯研究中心的天体生物学家、着陆器研究的合著者托里·霍勒说。“欧罗巴生物圈（如果存在的话）受到一组非常不同的环境因素的限制。”

欧罗巴的海洋中不可能有赋予生命的光照阳光，因此科学家们认为，那里的生物可能是化能合成的而不是光合作用的，很像生活在地球海底热液喷口的生物。在寒冷、黑暗、咸涩的深渊中的生命可能相当慵懒，生物化学受到可用能量和营养物质相对匮乏的限制，类似于南极洲（例如冰下沃斯托克湖和高盐度的维达湖）发现的极简主义水生生态系统。欧罗巴着陆器无法直接探测这些海底环境，而是必须寻找可能充满海洋并融入地表冰中的生物副产品。

以类似的方式，科学家可以通过测量稀释在大量海水中的细胞和氨基酸浓度来估计地球上的深海生物活动。基于此类地球测量，欧罗巴研究小组为着陆器的生命搜索实验设定了高标准，这些实验必须能够辨别稀释到大约 500 亿分之一的有机物质，以及每立方厘米冰中少至 100 个细胞。“我们基本上希望有一种非常强有力的方法来理解任何模棱两可的结果，”喷气推进实验室的行星科学家、着陆器研究小组的联合主席凯文·汉德解释说。“如果着陆器在冰中找不到复杂有机物或微生物细胞的证据，我们就会知道，如果欧罗巴存在生命，它只会留下微弱的生物特征，而这种生物特征低于南极洲沃斯托克湖等地方发现的有机物和细胞计数水平。”

这样的结果会令人失望，但在霍勒和他的合著者看来，更大的失望是，如果它被视为一次失败，从而扼杀了进一步探索欧罗巴和其他冰冷卫星的任务的势头。欧罗巴不太可能将所有秘密都交给第一艘在那里着陆的着陆器，而这样的任务可能仅仅是 NASA 海洋世界计划的开始。未来的任务可能会探索土星的土卫二和土卫六、海王星的海卫一，甚至冥王星深处的地下海洋。乐观的研究人员预感到即将到来的巨大变革，已经在勾勒出一些疯狂的想法，例如旨在钻孔或融化数公里厚冰层的星际潜艇。

“即使我们以某种方式说服自己欧罗巴没有生命，而我真的认为不可能做到这一点，”霍勒说，“它仍然是一个非常有趣的地方，值得去了解。”