木卫二快船启航 冰卫星成为探测新热点

北京时间10月15日00:06，美国航天局在肯尼迪航天中心通过SpaceX猎鹰重型运载火箭将木卫二快船探测器（Europa Clipper）发射升空，再度开启新一轮木卫系的科学考察。

未知的生命乐园?

木卫二是当年伽利略所发现的木星四颗卫星中最小的一个，在整个太阳系卫星中排行第六。直径约3120公里，为月球的90%，质量约4.79984×1022 kg，为月球的65.3%。在木星的95颗卫星中，它是距离木星第6近的。在西方，木卫二的名字几乎家喻户晓，它叫欧罗巴（Europa）。没错，就是欧洲大陆名称的来源，克里特岛国王米诺斯（Minos）的母亲，希腊天神宙斯（罗马神中朱庇特）的心上人。

木卫二的大小与地球唯一的天然卫星月球差不多，但它的内部结构却有很大不同。美国航天局 1990 年代发射的木星探测器“伽利略”号曾对木卫二有过深度观测。有证据表明，木卫二的冰层下面，有一个巨大的咸水海洋，其含水量可能是地球海洋总和的 2 倍！水层和冰层加在一起可能厚达100公里。木卫一、木卫三对它的潮汐加热作用，使它内部海洋保持液态形式。海水通过陆地的缝隙溢出，覆盖在木卫二表面，形成大片的冰原。木卫二拥有太阳系固态天体中最光滑的表面。

木卫二地下海洋的艺术想象画（来源：NASA/JPL-Caltech）

一个巨大的海洋，给人们创造了无尽的想象空间。地球的生命就是诞生在海洋中的。2015年，有科学家根据木卫二地质特征认为其海洋和海底存在相互作用。甚至有人认为其表面下可能含有有机化合物和能源。虽然目前没有证据表明木卫二存在火山热液活动，但考虑到强大的潮汐加热作用——比辐射加热强得多，或许能为深海中的某些活动提供能源支撑。盐水的冰点比水低很多，这也是支持木卫二保持液态海洋的重要因素之一。不过即便如此，低温、黑暗、高压、高盐，这些都是给生命的形成和演化的巨大考验。

太阳系中可能有不少星球与木卫二类似，有着巨大的地下海洋。木卫二的宜居性一直是个迷人的话题。一旦“木卫二快船”任务确定木卫二是宜居的，那么这可能意味着对我们传统观念的巨大突破！太阳系内外的宜居世界比想象的要多。

又大又快的“船”

木卫二快船原名叫“木卫二多次飞越任务”（Europa Multiple Flyby Mission），是 NASA首个致力于研究地外海洋世界的任务。其发射质量约 6 吨，净重约 3.2 吨，自身宽度 6 米，太阳能帆板展开后超过 30 米，比一个篮球场还大。凭借着巨大的太阳能帆板和雷达天线，木卫二快船成为NASA有史以来最大的太阳系地外行星探测器。

木卫二快船的大小（来源：NASA/JPL-Caltech）

之所以采用那么巨大的太阳能帆板，是因为在木星轨道附近，太阳辐射只有地球轨道附近的4%。NASA的工程师也考虑过使用钚-238作为能量来源，不过评估下来还是认为使用太阳能电池成本更低，技术上也更简单。

木星距离太阳约 5.2 天文单位，也就是 7.8 亿公里开外，这样的长途奔袭并非易事。木卫二快船探测器将先飞越火星（2025年2月）和地球（2026年12月），借助这两颗行星的“引力弹弓”进行加速，全程约 29 亿公里，耗时5年半，最后于 2030 年 4 月被木星引力捕获，开始绕木星运行。有意思的是，木卫二快船正如其名，相比于2023年4月15日已经踏上征途的欧洲航天局的，它反而会提早1年多到达木星。

木卫二快船奔向木星的轨道示意图（来源：NASA/JPL-Caltech）

木卫二快船的主要考察对象是木卫二，不过它并不打算环绕木卫二运行，而是仍然作为木星的人造卫星运行，期间飞越木卫二 49 次，每一次会以不同角度飞越木卫二，从而扫描几乎整个星球。飞越时最远距离约2700 公里，最近则只有 25 公里！

木卫二快船探测器效果图（来源：NASA）

全面考察冰卫星

木卫二快船有三个主要科学目标：① 确定木卫二冰壳的厚度，以及冰壳与下方海洋的相互作用；② 研究木卫二的主要成分；③ 描述木卫二的地质特征。该任务对木卫二的详细探索将帮助科学家更好地了解地球以外宜居世界的天体生物学潜力。

木卫二快船上的部分科学载荷（来源：NASA/JPL-Caltech）

木卫二快船所携带的科学载荷包括：

• 成像系统（Europa Imaging System，EIS）：由一个广角相机和一个窄角相机组成，每个都拥有一个800万像素的传感器，用于生成高分辨率的彩色和立体图像。他们将研究地质活动，测量地表高程，并为其他仪器提供参考背景。

• 热辐射成像系统（Europa Thermal Emission Imaging System，E-THEMIS）：这是一台红外线热成像仪，用来识别木卫二表面较为温暖的区域，如果有液态海水从表面缝隙中喷出，或者液态水留存在表面，就很容易被它捕捉到。同时，它还可以测量木卫二的表面纹理，以了解较小尺度的地质特性。

• 紫外光谱仪（Europa Ultraviolet Spectrograph，E-UVS）：通过望远镜收集紫外线并生成图像。紫外光谱将有助于确定木卫二大气气体成分和表面物质组成。它还将注意地表附近有无羽流活动的迹象。

• 测绘成像光谱仪（Mapping Imaging Spectrometer for Europa，MISE）：红外光谱仪将用于绘制木卫二的冰、盐、有机物和最热热点的组成和分布图。这些地图将有助于科学家了解木卫二的地质历史，并确定其海洋是否适合生物生存。

• 磁强计（Europa Clipper Magnetometer，ECM）：用于研究木卫二的磁场，旨在确认其海洋的存在，测量海洋深度和盐度。同时，它还将研究木卫二的电离大气以及它与木星的相互作用。

• 等离子体磁测深仪（Plasma Instrument for Magnetic Sounding，PIMS）：木卫二附近的磁场被木卫二的电离层和被困在木星磁场中的等离子体扭曲。PIMS将尝试把这些扭曲的磁场与其自身的感应磁场区分开来。这种方法也将有助于揭示木卫二海洋的信息。

• 重力/射电科学（Gravity/Radio Science）：木卫二的轨道并非圆形，有时接近木星，有时更远。通过测量木卫二在其轨道上不同点位的重力，能够反映出它受到的引潮力。

• 海洋到近地表评估与探测雷达（Radar for Europa Assessment and Sounding: Ocean to Near-surface，REASON）：可以简单理解为探冰雷达，它将探测木卫二的冰层，寻找疑似的海洋。研究冰层的结构和厚度、表面形貌、成分和粗糙度等。

• 行星探测质谱仪（MAss Spectrometer for Planetary EXploration/Europa，MASPEX）：分析木卫二微弱大气，以及可能存在的羽流中的气体，研究海洋和表面如何交换物质。

• 表面尘埃分析仪（SUrface Dust Analyzer，SUDA）：微小的陨石能够将木卫二表面的碎石喷射到太空中，而地下的海洋也会将部分物质以羽流的形式排放到太空中。尘埃分析仪将确定这些物质的化学成分和来源，并提供关于海洋盐度的线索。

由于木卫二沐浴在木星磁场的强大辐射中，因此木卫二快船的有效载荷及其他电子设备必须被封闭在一个由钛和铝制成的防护层里，以阻挡高能粒子的辐射。然而，就在今年6月，突然爆出探测器上控制电流的晶体管不符合标准的消息。相关器件可能挡不住木星磁场的辐射剂量，从而失效。这个隐患是无法消除的，重新更换器件又将错过今年的发射窗口。最终NASA不得不选择让探测器带着问题上天。

木星磁层（来源：ESA）

欧洲和美国相继发射了木卫探测器，分别聚焦在木卫三、木卫二这两颗冰卫星上，这并不是巧合。事实上，中国也在积极地规划自己的木卫系探测计划—— 天问四号 。该任务的目标为研究木星磁层结构、木卫四大气模型、木卫四表面冰层形貌及厚度、金星—地球—木星间的太阳风结构等，并将对天王星进行探测。天问四号将于2030年左右发射，2035年左右到达木星。就在10月15日发布的《国家空间科学中长期发展规划(2024-2050年)》也将探索太阳系天体和系外行星的宜居性作为优先发展方向之一。在月球和火星之后，冰卫星和地外宜居性将成为新的深空探测热点。

参考资料：

Europa Clipper - NASA Science (https://science.nasa.gov/mission/europa-clipper/)