探尋木衛(wèi)二冰層下的秘密

□ 謝懿/編譯

探尋木衛(wèi)二冰層下的秘密

□ 謝懿/編譯

根據(jù)計劃木衛(wèi)二多次飛掠任務(wù)最早將于2022年發(fā)射

十多年前，科學(xué)家們就已經(jīng)知道，木星的衛(wèi)星木衛(wèi)二表面冰層之下的海洋中可能存在生命。美國航宇局（NASA）正在按部就班地謹(jǐn)慎實施一個計劃，力圖在下一個十年查清真相。

2016年，美國國會在當(dāng)年的撥款法案中，要求NASA向木衛(wèi)二發(fā)射“一個攜帶有著陸器的軌道飛行器”并且發(fā)射的時間“不晚于2022年”。NASA總部則已經(jīng)批準(zhǔn)了對木衛(wèi)二著陸器的設(shè)計方案進(jìn)行研究，但尚未批準(zhǔn)開工建造。

任務(wù)誕生

幾乎沒有人會懷疑，木衛(wèi)二是太陽系中最吸引人的地方。咸水是承載地外生命的關(guān)鍵，而木衛(wèi)二上應(yīng)該有大量的咸水。16年前，伽利略探測器收集到的磁場數(shù)據(jù)顯示，在其表面之下存在一個浩瀚的海洋。除了液態(tài)水之外，木衛(wèi)二上還有熱源。如果那里存在有機(jī)物的話，那它就具備了原始生命起源和進(jìn)化所需的環(huán)境。有人甚至相信，木衛(wèi)二上存在生物。這些發(fā)現(xiàn)著實令人神往。于是，2011年美國的行星科學(xué)家把木衛(wèi)二探測項目定為2022年前優(yōu)先級第二高的任務(wù)，僅次于對火星采樣并返回地球的無人探測項目。

這一決定引起了一位美國國會議員的注意。來自美國德克薩斯州的眾議員約翰·卡伯森目前是木衛(wèi)二任務(wù)最熱情的支持者。

2014年當(dāng)卡伯森成為眾議院NASA建議撥款委員會的主席時，資金開始源源不斷地注入雄心勃勃的木衛(wèi)二任務(wù)。NASA在2015年財年申報了1500萬美元，以此來繼續(xù)建造“木衛(wèi)二快船”探測器，它會在環(huán)繞木星的軌道上多次飛掠木衛(wèi)二?？ú嶙h把這個數(shù)字乘以7增至1億美元。美國參議院通過了這一提議。隨后美國國會更進(jìn)一步要求把發(fā)射的時間定在2022年并且使用空間發(fā)射系統(tǒng)（SLS）來實施。但不管怎么樣，NASA原本3000萬美元的訴求一下子猛增到了1.75億美元。于是，“木衛(wèi)二多次飛掠”任務(wù)就此誕生。

不一樣的路線

美國國會對木衛(wèi)二計劃的領(lǐng)導(dǎo)與NASA的傳統(tǒng)做法形成了鮮明的對比。作為傳統(tǒng)道路的第一步，一個探測器會飛過一個從未被探測過的天體，發(fā)回有關(guān)的圖像，若干年后，會發(fā)射另一個探測器去勘測該天體的表面并研究其地質(zhì)特征。只有在所有這些工作都完成之后，科學(xué)家們才會有膽量發(fā)射一個載滿了科學(xué)儀器的無人著陸器。

卡伯森決心壓縮這一過程。美國國會指向性地告訴NASA發(fā)射“一個攜帶有著陸器的軌道飛行器”，這聽起來像用一枚火箭發(fā)射兩個航天器。在現(xiàn)實中，就這一做法是否是最佳途徑，存在有大量的爭議。2016年初，NASA局長查爾斯·博爾登個人“強(qiáng)烈建議”把軌道飛行器和著陸器分開，由此來最大化兩者的成功幾率。而美國噴氣推進(jìn)實驗室（JPL）的主任查爾斯·埃拉奇則認(rèn)為沒有必要著急做決定?？ú瓌t表示，在為木衛(wèi)二任務(wù)提供充足的資金的前提下，將會遵從工程師和科學(xué)家們的最佳建議。

憂慮成本

一些科學(xué)家擔(dān)心，這個雄心勃勃的木衛(wèi)二任務(wù)會吸干其他同樣有價值的探測任務(wù)的資金。

早期的 “木衛(wèi)二快船”計劃，是在大橢圓軌道上來圍繞木星飛行，“快船”只會在木星劇烈的輻射環(huán)境中逗留相對較短的時間。這可以減少對其電子和科學(xué)儀器所需的防護(hù)力度。每2～3周，該探測器就會近距離飛掠木衛(wèi)二一次，收集其化學(xué)成分、地貌、磁場以及水冰殼層厚度的數(shù)據(jù)。

美國國會指引下的木衛(wèi)二多次飛越任務(wù)將更加雄心勃勃。它也采用了類似于“木衛(wèi)二快船”的大橢圓軌道，但它增加了一個著陸器并且將發(fā)射時間提前。在先前的計劃中，“木衛(wèi)二快船”將使用現(xiàn)有的火箭發(fā)射，花6.5年的時間前往木星。新的計劃中，一枚SLS火箭則可以把軌道飛行器送入一條直接飛向木星的軌道，預(yù)計到達(dá)時間會在2024年或2025年。另行發(fā)射的著陸器也可以遵循相同的路徑。但如果使用一枚SLS火箭來同時發(fā)射這兩者，那么因總質(zhì)量超重將無法使用直接路徑，如果使用其它路徑的話，這兩個探測器將會在2027年或2030年到達(dá)。

問題是SLS是否能在2022年一切就緒。SLS火箭的第一次發(fā)射計劃在2018年進(jìn)行，不載人；第二次發(fā)射和首次載人飛行安排在2023年進(jìn)行。

2016年3月，美國審計署估計，即使沒有著陸器，木衛(wèi)二多次飛掠任務(wù)仍將耗費30億～40億美元。這個數(shù)字包含了火箭發(fā)射的費用，但并不包含發(fā)射著陸器的支出。目前NASA尚未公布木衛(wèi)二著陸器的成本信息。很多美國科學(xué)家都對此表示了擔(dān)心，認(rèn)為這是一項負(fù)擔(dān)不起的任務(wù)。

木衛(wèi)二上水蒸氣噴發(fā)的藝術(shù)概念圖

陌生的衛(wèi)星

NASA現(xiàn)有木衛(wèi)二的最佳圖像并不足以讓科學(xué)家們了解木衛(wèi)二的表面是什么樣子的，它是平滑的，還是崎嶇不平的。在沒有這些信息的情況下，很難設(shè)計出一個能夠存活下來的著陸器。但這些問題并沒有讓JPL的工程師們陷入困境。他們提出將木衛(wèi)二著陸器做成多邊形，這樣它的任何一面都能夠用來著陸。1997年NASA登陸火星的“火星探路者”就采用了類似的方案。NASA正在地球上尋找預(yù)計會和木衛(wèi)二上著陸地點相似的地貌。在那里他們會對著陸器及其所面臨的風(fēng)險進(jìn)行評估，為最壞的情況做好準(zhǔn)備。

如果著陸器與軌道飛行器一同飛抵木星，在著陸器觸地之前，軌道飛行器會花1～2年的時間來拍攝木衛(wèi)二表面的高分辨率圖像。一旦科學(xué)家們確定了著陸地點，著陸器飛就會被釋放到木衛(wèi)二上。

2012年哈勃空間望遠(yuǎn)鏡探測到了從木衛(wèi)二表面噴出的水蒸氣羽狀物，軌道飛行器將會穿過這些羽狀物，用它搭載的質(zhì)譜儀來尋找其中的有機(jī)分子。如果沒有探測到羽狀物，著陸器將嘗試在木衛(wèi)二表面冰層的裂縫附近著陸，那里可能存在著來自下方水體中的新鮮沉積物。他們會在木衛(wèi)二表面尋找周圍存在有新鮮沉積物的裂縫作為潛在的著陸地點。

木衛(wèi)二表面上布滿了交錯的裂縫，表明在其冰層之下極有可能存在著一個浩瀚的海洋

冰層下的秘密

著陸器上還會攜帶一臺地震儀，用于測量冰層的厚度，因為要想知道木衛(wèi)二冰殼之下到底有什么，最好辦法就是鉆探。NASA目前還不知道究竟該如何來完成這個任務(wù)，但卡伯森希望工程師們能夠研發(fā)在木衛(wèi)二冰層上融化出一個空洞的技術(shù)，使用高溫?zé)嵩磥砣诨?，然后進(jìn)入到木衛(wèi)二的海洋之中，使用傳感器來嗅探其底部熱液噴口，并把信號發(fā)送回留在冰殼下方的天線。

無論結(jié)果如何，目前對于NASA而言，木衛(wèi)二任務(wù)是其唯一一項必須依法來執(zhí)行的任務(wù)——不執(zhí)行就是違法。