木衛二快船啟航 冰衛星成為探測新熱點

北京時間10月15日00:06，美國航天局在肯尼迪航天中心通過SpaceX獵鷹重型運載火箭將木衛二快船探測器（Europa Clipper）發射升空，再度開啟新一輪木衛系的科學考察。

木衛二快船起飛（來源：NASA/Kim Shiflett）

未知的生命樂園?

木衛二是當年伽利略所發現的木星四顆衛星中最小的一個，在整個太陽系衛星中排行第六。直徑約3120公里，為月球的90%，質量約4.79984×1022 kg，為月球的65.3%。在木星的95顆衛星中，它是距離木星第6近的。在西方，木衛二的名字幾乎家喻戶曉，它叫歐羅巴（Europa）。沒錯，就是歐洲大陸名稱的來源，克里特島國王米諾斯（Minos）的母親，希臘天神宙斯（羅馬神中朱庇特）的心上人。

“伽利略”號探測器拍攝的木衛二（來源：NASA/JPL/DLR）

木衛二的大小與地球唯一的天然衛星月球差不多，但它的內部結構卻有很大不同。美國航天局 1990 年代發射的木星探測器“伽利略”號曾對木衛二有過深度觀測。有證據表明，木衛二的冰層下面，有一個巨大的咸水海洋，其含水量可能是地球海洋總和的 2 倍！水層和冰層加在一起可能厚達100公里。木衛一、木衛三對它的潮汐加熱作用，使它內部海洋保持液態形式。海水通過陸地的縫隙溢出，覆蓋在木衛二表面，形成大片的冰原。木衛二擁有太陽系固態天體中最光滑的表面。

木衛二地下海洋的藝術想象畫（來源：NASA/JPL-Caltech）

一個巨大的海洋，給人們創造了無盡的想象空間。地球的生命就是誕生在海洋中的。2015年，有科學家根據木衛二地質特征認為其海洋和海底存在相互作用。甚至有人認為其表面下可能含有有機化合物和能源。雖然目前沒有證據表明木衛二存在火山熱液活動，但考慮到強大的潮汐加熱作用——比輻射加熱強得多，或許能為深海中的某些活動提供能源支撐。鹽水的冰點比水低很多，這也是支持木衛二保持液態海洋的重要因素之一。不過即便如此，低溫、黑暗、高壓、高鹽，這些都是給生命的形成和演化的巨大考驗。

太陽系中可能有不少星球與木衛二類似，有著巨大的地下海洋。木衛二的宜居性一直是個迷人的話題。一旦“木衛二快船”任務確定木衛二是宜居的，那么這可能意味著對我們傳統觀念的巨大突破！太陽系內外的宜居世界比想象的要多。

又大又快的“船”

木衛二快船原名叫“木衛二多次飛越任務”（Europa Multiple Flyby Mission），是 NASA首個致力于研究地外海洋世界的任務。其發射質量約 6 噸，凈重約 3.2 噸，自身寬度 6 米，太陽能帆板展開后超過 30 米，比一個籃球場還大。憑借著巨大的太陽能帆板和雷達天線，木衛二快船成為NASA有史以來最大的太陽系地外行星探測器。

木衛二快船的大小（來源：NASA/JPL-Caltech）

之所以采用那么巨大的太陽能帆板，是因為在木星軌道附近，太陽輻射只有地球軌道附近的4%。NASA的工程師也考慮過使用钚-238作為能量來源，不過評估下來還是認為使用太陽能電池成本更低，技術上也更簡單。

木星距離太陽約 5.2 天文單位，也就是 7.8 億公里開外，這樣的長途奔襲并非易事。木衛二快船探測器將先飛越火星（2025年2月）和地球（2026年12月），借助這兩顆行星的“引力彈弓”進行加速，全程約 29 億公里，耗時5年半，最后于 2030 年 4 月被木星引力捕獲，開始繞木星運行。有意思的是，木衛二快船正如其名，相比于2023年4月15日已經踏上征途的歐洲航天局的，它反而會提早1年多到達木星。

木衛二快船奔向木星的軌道示意圖（來源：NASA/JPL-Caltech）

木衛二快船的主要考察對象是木衛二，不過它并不打算環繞木衛二運行，而是仍然作為木星的人造衛星運行，期間飛越木衛二 49 次，每一次會以不同角度飛越木衛二，從而掃描幾乎整個星球。飛越時最遠距離約2700 公里，最近則只有 25 公里！

木衛二快船探測器效果圖（來源：NASA）

全面考察冰衛星

木衛二快船有三個主要科學目標：① 確定木衛二冰殼的厚度，以及冰殼與下方海洋的相互作用；② 研究木衛二的主要成分；③ 描述木衛二的地質特征。該任務對木衛二的詳細探索將幫助科學家更好地了解地球以外宜居世界的天體生物學潛力。

木衛二快船上的部分科學載荷（來源：NASA/JPL-Caltech）

木衛二快船所攜帶的科學載荷包括：

• 成像系統（Europa Imaging System，EIS）：由一個廣角相機和一個窄角相機組成，每個都擁有一個800萬像素的傳感器，用于生成高分辨率的彩色和立體圖像。他們將研究地質活動，測量地表高程，并為其他儀器提供參考背景。

• 熱輻射成像系統（Europa Thermal Emission Imaging System，E-THEMIS）：這是一臺紅外線熱成像儀，用來識別木衛二表面較為溫暖的區域，如果有液態海水從表面縫隙中噴出，或者液態水留存在表面，就很容易被它捕捉到。同時，它還可以測量木衛二的表面紋理，以了解較小尺度的地質特性。

• 紫外光譜儀（Europa Ultraviolet Spectrograph，E-UVS）：通過望遠鏡收集紫外線并生成圖像。紫外光譜將有助于確定木衛二大氣氣體成分和表面物質組成。它還將注意地表附近有無羽流活動的跡象。

• 測繪成像光譜儀（Mapping Imaging Spectrometer for Europa，MISE）：紅外光譜儀將用于繪制木衛二的冰、鹽、有機物和最熱熱點的組成和分布圖。這些地圖將有助于科學家了解木衛二的地質歷史，并確定其海洋是否適合生物生存。

• 磁強計（Europa Clipper Magnetometer，ECM）：用于研究木衛二的磁場，旨在確認其海洋的存在，測量海洋深度和鹽度。同時，它還將研究木衛二的電離大氣以及它與木星的相互作用。

• 等離子體磁測深儀（Plasma Instrument for Magnetic Sounding，PIMS）：木衛二附近的磁場被木衛二的電離層和被困在木星磁場中的等離子體扭曲。PIMS將嘗試把這些扭曲的磁場與其自身的感應磁場區分開來。這種方法也將有助于揭示木衛二海洋的信息。

• 重力/射電科學（Gravity/Radio Science）：木衛二的軌道并非圓形，有時接近木星，有時更遠。通過測量木衛二在其軌道上不同點位的重力，能夠反映出它受到的引潮力。

• 海洋到近地表評估與探測雷達（Radar for Europa Assessment and Sounding: Ocean to Near-surface，REASON）：可以簡單理解為探冰雷達，它將探測木衛二的冰層，尋找疑似的海洋。研究冰層的結構和厚度、表面形貌、成分和粗糙度等。

• 行星探測質譜儀（MAss Spectrometer for Planetary EXploration/Europa，MASPEX）：分析木衛二微弱大氣，以及可能存在的羽流中的氣體，研究海洋和表面如何交換物質。

• 表面塵埃分析儀（SUrface Dust Analyzer，SUDA）：微小的隕石能夠將木衛二表面的碎石噴射到太空中，而地下的海洋也會將部分物質以羽流的形式排放到太空中。塵埃分析儀將確定這些物質的化學成分和來源，并提供關于海洋鹽度的線索。

由于木衛二沐浴在木星磁場的強大輻射中，因此木衛二快船的有效載荷及其他電子設備必須被封閉在一個由鈦和鋁制成的防護層里，以阻擋高能粒子的輻射。然而，就在今年6月，突然爆出探測器上控制電流的晶體管不符合標準的消息。相關器件可能擋不住木星磁場的輻射劑量，從而失效。這個隱患是無法消除的，重新更換器件又將錯過今年的發射窗口。最終NASA不得不選擇讓探測器帶著問題上天。

木星磁層（來源：ESA）

歐洲和美國相繼發射了木衛探測器，分別聚焦在木衛三、木衛二這兩顆冰衛星上，這并不是巧合。事實上，中國也在積極地規劃自己的木衛系探測計劃—— 天問四號 。該任務的目標為研究木星磁層結構、木衛四大氣模型、木衛四表面冰層形貌及厚度、金星—地球—木星間的太陽風結構等，并將對天王星進行探測。天問四號將于2030年左右發射，2035年左右到達木星。就在10月15日發布的《國家空間科學中長期發展規劃(2024-2050年)》也將探索太陽系天體和系外行星的宜居性作為優先發展方向之一。在月球和火星之后，冰衛星和地外宜居性將成為新的深空探測熱點。

參考資料：

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