揭開冰下海洋的秘密：木衛(wèi)二快船的探索之旅

作者|馮梓洋

審核|黃堅(jiān)

編輯|趙經(jīng)遠(yuǎn)

木衛(wèi)二快船藝術(shù)圖（圖片來源于NASA）

北京時(shí)間2024年10月15日凌晨00時(shí)06分，美國(guó)國(guó)家航天局（NASA）研發(fā)的木衛(wèi)二快船（Europa Clipper，又譯歐羅巴快船）在肯尼迪航天中心通過重型獵鷹火箭成功發(fā)射，標(biāo)志著木衛(wèi)二快船行星際任務(wù)的開始。該任務(wù)旨在將木衛(wèi)二快船探測(cè)器發(fā)射至木星附近預(yù)定的軌道，并對(duì)木星的衛(wèi)星木衛(wèi)二進(jìn)行約50次飛掠探測(cè)，對(duì)這顆木星衛(wèi)星的地質(zhì)狀況和宜居性進(jìn)行探測(cè)考察，預(yù)計(jì)在2030年抵達(dá)木星軌道。木衛(wèi)二快船搭載著9臺(tái)主要的科學(xué)儀器，不僅僅是NASA有史以來最大的行星探測(cè)器，也是NASA迄今為止投入最大的行星探測(cè)任務(wù)，整個(gè)任務(wù)耗資預(yù)計(jì)將達(dá)到約52億美元。那么，這顆衛(wèi)星究竟有什么價(jià)值？能夠吸引人們進(jìn)行如此巨大的投入？這就得從木衛(wèi)二的環(huán)境說起。

木衛(wèi)二快船成功發(fā)射（圖片來源于SpaceX）

木衛(wèi)二是由意大利天文學(xué)家伽利略·伽利萊（Galileo Galilei）和德國(guó)天文學(xué)家西門·馬利烏斯（Simon Marius）于1610年1月分別發(fā)現(xiàn)的，在目前已知的95顆木星衛(wèi)星中，它與木星的距離是第6近的，而在4顆伽利略衛(wèi)星[木衛(wèi)一（Io）﹑木衛(wèi)二（Europa）﹑木衛(wèi)三（Ganymede）﹑木衛(wèi)四（Callisto）]中，木衛(wèi)二的質(zhì)量和直徑都是最小的，它的直徑只有3121.6千米，比月球略小。由于木衛(wèi)二到太陽的距離是日地距離的5倍，因此它接收到的太陽輻射只有地球的1/25。

四顆伽利略衛(wèi)星（圖片來源于NASA）

在此之前，先驅(qū)者10號(hào)、先驅(qū)者11號(hào)、旅行者1號(hào)﹑旅行者2號(hào)、伽利略號(hào)和朱諾號(hào)等探測(cè)器都已經(jīng)對(duì)這顆衛(wèi)星進(jìn)行了大致地考察，這些探測(cè)表明，木衛(wèi)二含有豐富的有機(jī)元素，如碳﹑氫﹑氧﹑氮等，其表面主要由水冰和巖石構(gòu)成，在這些冰層之下可能存在一個(gè)由液態(tài)水組成的巨大海洋，可以重塑木衛(wèi)二的表面。有證據(jù)表明這片冰下海洋已經(jīng)存在了45億年，其中含有生命必需的元素，因此可能是孕育生命的場(chǎng)所。在木衛(wèi)二的海洋之下也可能存在和地球一樣的巖漿運(yùn)動(dòng)，在潮汐加熱的作用下，木衛(wèi)二的深層液態(tài)水時(shí)不時(shí)會(huì)像火山噴發(fā)一樣從表面噴射出來，形成強(qiáng)烈的熱液活動(dòng)，這些運(yùn)動(dòng)深刻地影響了木衛(wèi)二的表面乃至內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而這種溫暖的環(huán)境可能適合微生物生存。

木衛(wèi)二的冰下海洋（藝術(shù)圖）（圖片來源于NASA）

木衛(wèi)二的表面有無數(shù)條黑色﹑紅棕色的裂縫，這可能是冰層在做類似地球板塊運(yùn)動(dòng)所形成的獨(dú)特地貌特征，其中可能含有鹽和含硫化合物。表面上的一些雙脊構(gòu)造，則與噴射液態(tài)水有關(guān)。

神秘的冰凍衛(wèi)星木衛(wèi)二（圖片來源于NASA）

木衛(wèi)二快船的探測(cè)任務(wù)有三大科學(xué)目標(biāo)：首先是探測(cè)木衛(wèi)二冰殼的厚度，確認(rèn)表面冰層與冰下海洋的相互作用過程；其次是研究水冰結(jié)構(gòu)中主要化合物的化學(xué)性質(zhì)，以及它們與冰下海洋所含化學(xué)成分之間的聯(lián)系；此外，還要對(duì)這顆衛(wèi)星的地質(zhì)特征進(jìn)行考察。通過這些探測(cè)，科學(xué)家能更好地了解木衛(wèi)二的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與環(huán)境，進(jìn)而確認(rèn)其地下海洋是否具備孕育生命的條件。

木衛(wèi)二快船的飛行路線（圖片來源于NASA）

為了這些目標(biāo)，木衛(wèi)二快船啟程了。然而在前往木衛(wèi)二的路途中仍存在巨大的風(fēng)險(xiǎn)與挑戰(zhàn)。2025年2月底/3月初，它將到達(dá)距離火星表面500至1000公里的位置，借助火星的引力來幫助它加速前進(jìn)；2026年12月，木衛(wèi)二快船將回到地球附近，在距離地面約3200公里處飛掠地球，并借助地球的引力進(jìn)一步加速，使探測(cè)器有足夠的能量飛到距離地球約5億公里的木星。2030年4月，木衛(wèi)二快船將進(jìn)行6個(gè)小時(shí)的制動(dòng)減速，以進(jìn)入環(huán)繞木星的軌道。在此之后，木衛(wèi)二快船將多次變軌，以到達(dá)預(yù)定軌道。預(yù)計(jì)在2031年春季，木衛(wèi)二快船將會(huì)第一次飛掠木衛(wèi)二，并在3年多的時(shí)間內(nèi)多次飛掠這顆迷人的衛(wèi)星。它飛掠木衛(wèi)二時(shí)與其表面的最近距離只有25公里，以便對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的科學(xué)考察，收集其稀薄大氣、表面、冰殼和冰下海洋的數(shù)據(jù)。在2034年9月任務(wù)完成時(shí)，木衛(wèi)二快船將墜毀在木星的另一顆衛(wèi)星——木衛(wèi)三的表面，結(jié)束自己的使命。

木衛(wèi)二快船的軌道（圖片來源于NASA）

為了保證木衛(wèi)二快船能在極端環(huán)境下正常執(zhí)行任務(wù)，NASA在使用了無數(shù)的“黑科技”。其中最吸引人的莫過于它那對(duì)長(zhǎng)長(zhǎng)的太陽能帆板，在其展開之后，長(zhǎng)度能夠達(dá)到30.5米，是NASA目前開發(fā)的最大的太陽能帆板，它會(huì)在木星軌道極低的溫度下為木衛(wèi)二快船提供大量電能。航天器平臺(tái)由一個(gè)鋁制圓柱形推進(jìn)模塊和一個(gè)長(zhǎng)5米的矩形盒子組合而成，盒子里有一個(gè) 150 公斤的鈦、鋅和鋁屏蔽室，可保護(hù)電子元件免受來自木星的輻射。

木衛(wèi)二快船比標(biāo)準(zhǔn)籃球場(chǎng)還要長(zhǎng)一點(diǎn)（圖片來源于NASA）

木衛(wèi)二快船搭載了9臺(tái)高精度的科學(xué)儀器，其中包括用于探測(cè)地質(zhì)活躍區(qū)域的木衛(wèi)二熱輻射成像系統(tǒng)（E-THEMIS）﹑分析采集樣品化學(xué)成分的木衛(wèi)二測(cè)繪成像光譜儀 (MISE)﹑進(jìn)行地質(zhì)測(cè)繪的木衛(wèi)二成像系統(tǒng) (EIS)﹑檢測(cè)噴發(fā)羽流的木衛(wèi)二紫外光譜儀﹑用于探測(cè)海洋和近表面結(jié)構(gòu)的木衛(wèi)二評(píng)估與探測(cè)雷達(dá) (REASON)﹑用于測(cè)量木衛(wèi)二磁場(chǎng)的木衛(wèi)二快船磁強(qiáng)計(jì) (ECM)﹑測(cè)量木星磁層和木衛(wèi)二電離層的等離子體磁測(cè)深儀 (PIMS)﹑測(cè)定復(fù)雜混合物中各種化合物的行星探測(cè)質(zhì)譜儀（MASPEX）和表面塵埃質(zhì)量分析儀 (SUDA)等等，這些科學(xué)設(shè)備將在木衛(wèi)二快船的科學(xué)考察過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

木衛(wèi)二快船的結(jié)構(gòu)示意圖（圖片來源于Wikipedia）

木衛(wèi)二快船探測(cè)任務(wù)是NASA歷史上投入最大的行星探測(cè)任務(wù)之一，它也將成為人類行星探索之路和地外生命探索歷程中重要的里程碑。通過這次考察，科學(xué)家們有望揭開木衛(wèi)二冰下海洋的秘密，探尋生命宜居的可能性。我們期待著木衛(wèi)二快船傳回的寶貴數(shù)據(jù)，為我們揭示更多關(guān)于宇宙和生命的奧秘。

參考資料

1、李春輝，第十三章：木星和土星的行星環(huán)和衛(wèi)星，《行星科學(xué)導(dǎo)論》，廣西師范大學(xué)出版社

2、Europa Facts，NASA，https://science.nasa.gov/jupiter/moons/europa/europa-facts/#h-structure

3、EuropaClipperMission, NASA, https://europa.nasa.gov/mission/about/

4、Mission Timeline, NASA, https://europa.nasa.gov/mission/timeline/

5、Europa(moon), Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Europa_(moon)

6、Europa Clipper, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Europa_Clipper

7、Europa Clipper Cost Chart，The Planetary Society，https://www.planetary.org/charts/europa-clipper-cost-chart

有關(guān)木衛(wèi)二快船科學(xué)探索的更多疑問，歡迎大家在評(píng)論區(qū)留言，小星會(huì)為你一一解答哦~

關(guān)注微信公眾號(hào)/新浪微博/科普中國(guó)/頭條號(hào)“星明天文臺(tái)”，和小星一起踏遍星辰，收獲浪漫吧~