美國出臺新的探測木衛(wèi)二計劃

□ 尹懷勤

美國出臺新的探測木衛(wèi)二計劃

□ 尹懷勤

3月28日，據(jù)國外媒體報道，在歷時20年的研發(fā)之后，對木衛(wèi)二的探索終于即將拉開新的帷幕。這也許將成為我們在太陽系中找到外星生命的最佳機會，因而引起了人們的關(guān)注。

未來探測器將著陸在木衛(wèi)二表面，探測其表面的詳細狀況

木衛(wèi)二上的羽狀噴流示意圖

科學(xué)家認為水在土衛(wèi)二海底巖石的相互作用下會產(chǎn)生氫氣

科學(xué)家認為在木衛(wèi)二的冰層下面存在液態(tài)海洋

對木衛(wèi)二冰下海洋進行探索的穿冰機器人和潛水機器人想象圖

木衛(wèi)二生命假說

木衛(wèi)二又名歐羅巴，是太陽系最大行星木星的63個衛(wèi)星中一顆冰封的衛(wèi)星，僅比月球稍小一點兒，直徑為3100千米，在距離木星67萬千米的圓形軌道上運行。它被木星潮汐鎖定，如月球與地球的關(guān)系一樣，永遠面對著木星。與月球不同的是，木衛(wèi)二具有含氧的稀薄大氣層。

以前的航天探測器發(fā)回地球的數(shù)據(jù)資料表明，從遠處望去，木衛(wèi)二上仿佛鐫刻著許多暗色的條紋，而靠近了看，它們其實是冰面上長長的裂隙，許多冰隙中充滿了棕色漿糊。除冰隙之外，其他地方則地形多變、崎嶇不平。經(jīng)綜合分析研究，科學(xué)家們認為，木衛(wèi)二內(nèi)部有一個金屬核，核外是石質(zhì)的殼，殼外是液態(tài)水海洋，海洋表面是冰層。

1996年8月，美國科學(xué)家們根據(jù)“伽利略”號木星探測器提供的資料推測木衛(wèi)二上可能存在海洋以后提出，它的海底也可能存在火山，其噴發(fā)提供的熱量足以使某些不需要陽光和空氣的微生物生存下去，這一論點被稱為木衛(wèi)二生命假說。1997年初，科學(xué)家們根據(jù)1996年末“伽利略”號提供的照片發(fā)現(xiàn)木衛(wèi)二上有水流以后認為，木衛(wèi)二冰層下面有水、充足的熱量和有機化合物這三個生命存在的基本要素，其環(huán)境很有可能符合宇宙生物學(xué)的標準。地球海洋深處一些火山的周圍，沒有陽光和氧氣的極端惡劣的自然環(huán)境中都有原始微生物繁衍生息，就是因為這些地方都具備上述三個條件。提出和贊同木衛(wèi)二生命假說的科學(xué)家們認為，從環(huán)境條件推斷，其生命形態(tài)只能是低級的海洋生物。正因如此，在對太陽系行星及其衛(wèi)星的探測中，科學(xué)家們最重視的是火星、木衛(wèi)二和土衛(wèi)六。自從上世紀90年代探索木衛(wèi)二的概念誕生以來，美國、俄羅斯和歐空局的科學(xué)家們就不斷提出各種不同的探測木衛(wèi)二的計劃，如用導(dǎo)彈轟擊取樣分析，用航天器進行近空探測，用航天器著陸探測，用機器人鉆入海洋探測，但由于經(jīng)費問題最終都不得不取消。盡管如此，木衛(wèi)二仍是最激動人心的尋找地外生命的目標之一。

木星的巨大引力產(chǎn)生的潮汐力使木衛(wèi)二周期性地拉伸與擴張。但木衛(wèi)二的地表之所以如此崎嶇多變，主要還是因為這層冰殼漂浮在液態(tài)水構(gòu)成的海洋之上。木衛(wèi)二的液態(tài)水可能深達地表下方80千米至170千米，意味著其液態(tài)水儲量很可能是地球上全部海水總和的兩倍。除此而外，木衛(wèi)二海洋中也許還存在其他物質(zhì)，如微生物的能量來源等。不僅如此，這片地下?；蛟S還能通過多種途徑與地表相連，如從冰殼中冒出的、溫度較高的少量冰屑。2014年1月“哈勃”空間望遠鏡拍攝的圖像顯示在木衛(wèi)二南極附近存在羽狀噴流，高度竟達200千米。因此，對木衛(wèi)二地表的探索或能幫助人類更好地了解其地下海水及其物質(zhì)狀況。

新型探測器探測木衛(wèi)二示意圖

計劃再探木衛(wèi)二

目前，美國航宇局正在籌備兩項木衛(wèi)二探索計劃，并在3月份于休斯頓舉行的第48屆月球與行星科學(xué)大會上開展了相關(guān)討論，以完善其實施方案。第一項任務(wù)名叫“木衛(wèi)二快艇”，預(yù)計將于2022年啟動。第二項任務(wù)則是計劃讓探測器登陸木衛(wèi)二表面，預(yù)計于幾年之后開展。

美國航宇局噴氣推進實驗室“木衛(wèi)二快艇”項目科學(xué)家羅伯特·帕帕拉多博士表示：“我們正在探索木衛(wèi)二宜居的可能性，尋找水和能量來源等生命必備物質(zhì)。為達到這一目的，我們將分析地下海和冰殼的組成成分和地質(zhì)構(gòu)造?！?/p>

“木衛(wèi)二快艇”探測器將攜帶9臺設(shè)備，其中包括用來拍攝木衛(wèi)二表面的攝像機，用來分析其成分的質(zhì)譜儀，可穿透冰層尋找地下水并對冰殼開展三維測繪的雷達，以及用來分析海洋特征的磁力計。以前“伽利略”號所采集到的磁場數(shù)據(jù)表明，木衛(wèi)二在木星磁場的影響下自身產(chǎn)生了一個感應(yīng)磁場。鑒于木衛(wèi)二強勁的磁場，能夠困住并加速宇宙粒子，如果讓“木衛(wèi)二快艇”軌道深入其周圍運轉(zhuǎn)，這一過程中形成的高強輻射帶對于探測器的電子元器件危害巨大，致使開展任務(wù)的時間大大縮短，僅能持續(xù)幾個月乃至幾周。正緣于此，“木衛(wèi)二快艇”探測器為減少輻射，不是環(huán)繞木衛(wèi)二運行，而是將采用圍繞木星飛行的方式，在3年半的時間里，至少開展45次近距離飛掠木衛(wèi)二的行動，對其進行探測，并把獲得的數(shù)據(jù)資料發(fā)回地球，供科學(xué)家們分析研究，從中得出應(yīng)有的結(jié)論?？茖W(xué)家們首先要解決機械挑戰(zhàn)，如儀器在木星輻射帶中的運行問題。探測器設(shè)備必須用鈦之類的金屬隔離起來，但儀器又不能被保護得太嚴密，否則就無法探測木衛(wèi)二。因此為保障探測器安全，美國航宇局不得不改變行動路線，采用上述飛行方式。

木衛(wèi)二強大的磁場形成的高強輻射也對其地表造成了影響，促進了氧化物的產(chǎn)生。而在地球上，氧化物與還原化合物間發(fā)生的氧化還原反應(yīng)恰好為生命提供了所需的能量。

不過，木衛(wèi)二地表生成的氧化物只有進入地下海才能為微生物所用。好在使地下水上涌的對流過程也能將地表物質(zhì)帶入地下。進入地下海之后，氧化物便可與海水和巖床反應(yīng)生成的還原物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，孕育和存活低級生命。對于科學(xué)家們而言，這些計劃中的任務(wù)意味著20年來的夢想即將實現(xiàn)。

“我們可以繞開圍繞木衛(wèi)二飛行帶來的技術(shù)問題，提高任務(wù)可行性，同時通過增加飛掠次數(shù)，取得同樣的探測結(jié)果。”參與該項目的科學(xué)家指出。木衛(wèi)二附近的光照強度僅有地球上的30分之一，但美國航宇局仍計劃采用太陽能電池板為其提供能量，而不是其他太陽系外層探測任務(wù)使用的放射性發(fā)電機。

有美國國會的支持，才使探索木衛(wèi)二的兩個方案得以出臺。雖然木衛(wèi)二登陸器尚未得到美國總統(tǒng)2018年預(yù)算撥款，但美國航宇局行星科學(xué)部門主管吉姆·格林博士表示：“這項任務(wù)極其激動人心，因為它能從人類難以到達的星球表面告訴我們，人類還需開展怎樣的研究?！薄拔覀冞€有很長的路要走，必須勤勤懇懇，弄清我們需要進行哪些測繪工作。未來獲得了足夠的資金之后，我們才能順利開展下一步研究?！边@也說明這項任務(wù)勢在必行。

20年來，科學(xué)家們提出了許多新穎的木衛(wèi)二登陸器設(shè)計方案。馬拉德太空科學(xué)實驗室的格林特·瓊斯博士針對其中一種名叫“穿透器”的設(shè)計進行了研究?！斑@一技術(shù)還未實際采用過，但可行性很高。”該探測器將被人造衛(wèi)星彈射出來，以每秒300米的高速重重砸向木衛(wèi)二表面，從而使內(nèi)部冰層暴露在外，供儀器進行分析。當(dāng)然，這些儀器經(jīng)過了特殊設(shè)計，能夠承受劇烈撞擊。而美國航宇局設(shè)計的登陸器將采用2012年“好奇”號登陸火星時運用的“空中吊車”技術(shù)，緩慢降落在木衛(wèi)二表面。著陸時，登陸器將開啟自動著陸系統(tǒng)，實時監(jiān)測地面情況，避開危險因素，進而開展探測工作。

“木衛(wèi)二快艇”探測器可以事先從空中確定合適的著陸地點，提前為登陸器選點做好準備。它可以尋找地下水距地表較近的區(qū)域，也許這些地方溫度較高、還存在有機物。登陸探測器將配備高敏儀器，還將配有一臺反旋鉆，用來鉆取木衛(wèi)二地表冰層下方的樣本，以便進行分析研究，獲得其實際組成情況的數(shù)據(jù)資料。

在這幅由“伽利略”號探測器拍攝的木衛(wèi)二影像里，可見到數(shù)片明亮的水冰平原、裂縫以及可能混雜著冰和塵土的暗斑

美國航宇局噴氣推進實驗室開發(fā)的一個機械爪，計劃在登陸木衛(wèi)二的探測器上使用

登陸器的目標是獲取全新的研究樣本，這可以通過兩種方法實現(xiàn)：一是挖至地下深處，二是尋找地表有噴射活動的區(qū)域，因為這些地質(zhì)活動會將新鮮的地下物質(zhì)帶到地表。近年來，“哈勃”空間望遠鏡在木衛(wèi)二表面都觀測到過冰屑從地下噴出的現(xiàn)象，登陸器將派往更近期的噴發(fā)地點。因此，科學(xué)家需要弄清這些間歇性的噴發(fā)現(xiàn)象究竟由何種因素控制。“木衛(wèi)二快艇”號探測器將確定它們是否與木衛(wèi)二地表溫度較高的熱點區(qū)域有關(guān)。

此次登陸器任務(wù)的目標不僅是探測到外星生命，還需要讓人們相信航天科技已經(jīng)做到了這一點。因此，該項目團隊用了兩天時間，專門說明這一問題。結(jié)論就是任何探測結(jié)果都必須以通過直接測量得到的大量獨立證據(jù)為基礎(chǔ)。有關(guān)科學(xué)家希望相關(guān)探討能夠早日開展，這樣等登陸器抵達木衛(wèi)二表面時，他們就可以專注于數(shù)據(jù)分析了。不言而喻，這件事不能一蹴而就，不能開展了一次測量之后就宣稱找到了外星生命，只有整體結(jié)果才能說了算?？茖W(xué)家們同時也提出了對觀測結(jié)果的解讀框架。這一框架構(gòu)建了包含各種結(jié)果的可能性。最終得到的結(jié)論要么是找到了外星生命，要么是沒找到外星生命。

探測木衛(wèi)二有無生命的意義在于，除弄清真相外，還可驗證宇宙生物學(xué)標準。如果發(fā)現(xiàn)了木衛(wèi)二上有生命，那就證明宇宙生物學(xué)標準至少適用于太陽系天體。如果推斷條件屬實而未發(fā)現(xiàn)生命，則需修正這一標準。如果推斷條件不存在，則另當(dāng)別論。無論獲得何種真實情況，都能深化人類對木衛(wèi)二乃至太陽系天體的認識，促進空間科學(xué)的發(fā)展。毫無疑問，假若證實木衛(wèi)二具有可以宜居的環(huán)境，將來不僅可能向其移民，而且還可將其作為人類飛向更遠天體的中途站，因為木衛(wèi)二上的水能分解成氫和氧氣，冷凍后能成為火箭的液氫、液氧推進劑。