“歐羅巴快船”升空，木星系探測再成熱點_風聞

作者：蘭順正

首發自：《航天員》

當地時間2024年10月14日，美國航天局“歐羅巴快船”號探測器發射升空，啓程前往木星，將探索木星衞星木衞二（又稱歐羅巴）表面下是否有適宜生命存在的條件。而“歐羅巴快船”的發射也讓有關木星系探測活動再次成為航天領域的熱點。

八大行星裏的“巨人”

木星是太陽系中最大的行星，其赤道半徑約為71400千米，體積足以容納 1316個地球，質量是地球的318倍，比其他所有行星加起來還要重2.5倍，其軌道距離太陽77800萬千米，公轉一週大約需要12個地球年，但是自轉一週僅 9小時50分30秒。作為一顆氣態行星，木星由90%的氫和10%的氦組成，還有極微量的其他氣體，包括甲烷和氨。木星表面是液態氫的“海洋”，深約1.6萬千米，大氣層厚約1000千米。

木星可謂是太陽系中的“大塊頭”

這些年來，月球探測、火星探測乃至金星探測都十分火熱，大量探測器頻繁光臨這些星球。而與之相比，由於木星探測任務飛行時間更長，軌道複雜，制導、導航和控制難度更高，技術更復雜，因此木星可謂長期居於“角落”裏，迄今對於該行星的探測任務次數屈指可數。從20世紀70年代起，人類先後發射了先驅者10號、11號，旅行者1號、2號等8個探測器，但其中大部分對於木星只是“兼顧”，在路過時順便獲取圖像和數據。1989年發射的“伽利略”號探測器是人類首個專門用於探測木星的探測器。它於1995年12月抵達木星環繞軌道，對木星開展了近8年的研究，最終墜入木星大氣層焚燬。

目前仍在木星附近工作的是“朱諾”號探測器，該探測器由美國洛克希德·馬丁公司建造，NASA下屬噴氣推進實驗室負責整個探測任務的運行，是NASA“新疆界計劃”實施的第二個探測項目。“朱諾”在2011年8月5日升空，經歷了5年的飛行後，於2016年7月4日成功進入環木星軌道。“朱諾”號攜帶了微波輻射計、紅外線成像光譜儀、引力/無線電研究設備、矢量磁強計和彩色相機等9 種主要儀器，其任務包括：探測木星強大的磁場是如何產生的，並研究極光的形成；通過測量木星大氣層中氨氣及水分的總量，判定其是否擁有固態核心；另外探測器還將繪製出木星的引力場與磁場，並拍攝木星及其衞星的靜態圖像與視頻等。

雖然一直以來木星比較受“冷落”，但探索木星同樣存在着巨大的價值。在太陽系形成初期，太陽系中心的行星由於受輻射太強，氣體物質會劇烈沸騰並蒸發，只會存留在距離太陽較遠的區域，它們有些被外行星吸收，形成巨大的氣體行星，有些結成了冰覆蓋在最外的小星體表面。而木星大氣則堪稱是太陽系形成初期情況的“化石”。現在科學家已經建造了一套太陽系行星形成理論，並根據理論模擬了不同元素隨着太陽距離變化的分佈。通過分析木星表面大氣成分，便可驗證確認該理論是否正確,而且也十分有助於加深對太陽系的瞭解。同時木星上的氫含量極高，是一座能源寶庫。由於氫的同位素氘和氚都是熱核反應的重要原料，而這些元素在地球上含量又很少，所以開發木星上的氫資源既可解決人類能源問題，有助於可持續發展，又能將其用作核火箭的燃料，以便實現星際航行。

探索地外生命的熱點

尤其值得注意的是，木星目前已知擁有67顆衞星，可以説是一個小太陽系，而其中的四顆大型衞星具有很大的開發價值。以此次“歐羅巴快船”號的目標——木衞二為例，其與木星之間的平均距離為670900千米，為第二近。木衞二直徑3100公里，繞木星公轉一週需要三天半的時間。和其他星球相比，木衞二是以“外星生命”而聞名。早在1979年，經旅行者2號和旅行者1號的探測，科學家發現木衞二就像個冰與奶油、巧克力混合的球體，表面上分佈着彎曲的條紋。當時的研究認為，該衞星表面覆蓋着 5 千米厚的冰層，冰層下面可能有一片深達 50 千米的海洋，而且海洋中有可能存在生命。這一研究結果在當時立刻引起了科學界的關注，自此木衞二成了各界探索地外生命的重點天體。

木衞二表面裂縫交錯

從目前的探測結果來看，這顆星球呈現冰殼狀，表面裂縫交錯，這説明冰層曾受到巨力的作用。科學家們研究後認為，這種力是由木衞二和木星及其他三顆衞星之間的引力形成的潮汐力，其作用不僅造成了木衞二的表面特徵，還使木衞二內核很熱，大量熱能從火山口或熱泉眼噴發出來，導致表面部分冰層融化，使其內部的水以液態存在。而且冰層之下的海洋水一部分被蒸發變成水蒸氣，並通過一些噴孔飄到了大氣之中，最後在太陽的作用下產生化學反應，使木衞二的大氣層中出現了氧氣。

木衞二存在液態海洋

2013年12月11日，美國NASA宣佈，木衞二表面發現黏土質礦物可能孕育生命。2016年9月26日，NASA發現木衞二有水汽噴發。現在科學界普遍認為，木衞二內部有一個金屬核，核外是石質的殼，殼外是液態水海洋，海洋表面是冰層，該衞星有極大的可能孕育生命。

建造中的“歐羅巴快船”

據報道，此次發射的“歐羅巴快船”是NASA為行星任務所開發的有史以來最大探測器，價值50多億美元，其太陽能電池陣列展開時跨度超過30米，比一個標準籃球場還大，發射時重量接近6000公斤，探測器由24個引擎提供動力。

按計劃，“歐羅巴快船”將飛行約29億公里，預計於2030年4月到達木衞二，飛船沿途將飛越火星，然後飛越地球，利用每顆行星的引力來幫助航天器在前往木星的旅程中使用更少的燃料並提高速度。到達目的地後，飛船將繞木星運行，並對木衞二進行近50次近距離飛掠，其中最近距離為25公里。

“歐羅巴快船”的目標是研究木衞二的宜居性，具體的研究目標為：分析木衞二冰殼和地下水系統的特性，包括非均質性、冰下海洋特性以及地表-冰層-海洋之間的交換過程；調查木衞二物質組成和化學成分，分析冰下海洋的宜居性；調查表面特徵的形成過程，對有科學價值的區域開展分析；尋找正在進行的地質活動，特別是羽流和熱異常現象，對其進行分析研究。

“歐羅巴快船”結構示意圖

為完成使命，“歐羅巴快船”攜帶了攝像機、光譜儀、熱成像儀、冰穿透雷達、磁力計等傳感器，盡力收集有關這顆星球內外部的一切。據悉，由於要穿過被木星磁場（大約是地球磁場的2萬倍）加速的連續帶電粒子，安裝在探測器中的電子設備必須能夠抵抗輻射損傷。

有分析指出，通過近距離觀察木衞二的地質和化學性質，如果幸運的話將能發現宜居性的明顯特徵。不過，科學家們也謹慎表示，並不指望會發現類人生物或動物。

另外在探測過程中，“歐羅巴快船”也不會孤單，其將與歐洲航天局2023年4月發射的Juice（木星冰衞星探測器）協同工作，該航天器將於2031年7月抵達以研究木星及其最大衞星。

“歐羅巴快船”任務計劃2034年9月結束，屆時探測器將撞向木星的另一顆衞星——木衞三，之所以選擇這種處置策略，是因為木衞三被認為不太可能存在生命，不用擔心被地球微生物污染。

探測木星有中國一個

中國在木星探索領域也不會缺席。《2016中國的航天》白皮書已經表示中國將開展木星系及行星穿越探測的方案深化論證和關鍵技術攻關。2021年，中國國家航天局秘書長許洪亮在召開的新聞發佈會上，向媒體正式發佈了“十四五”及未來一個時期發展重點規劃，其中就包括中國擬於2029年實施木星系及行星際穿越探測任務。根據當時公佈的消息，包括木星在內的行星探測工程任務已經得到黨中央肯定，相關方案正按程序履行報批手續；而且國家航天局今後還將陸續公佈這些任務的國際合作計劃，以秉持“共商、共建、共享”理念與國際同行一起密切協作共同探索宇宙的奧秘。當時“天問一號”火星任務總規劃師張榮橋也在記者會上表示，除了其科學價值外，對木星的探測還將導致新發明和技術的發展。

有資料指出，由於木星距離遙遠，空間環境複雜，木星探測任務相比月球探測、火星探測技術難度更大，中國木星探測任務將會面臨一系列新的技術難題。

如木星衞星眾多，探測器將受到多體引力攝動，增大了軌道設計難度。木星系內探測目標眾多，但木星附近輻射環境惡劣，探測軌道需要根據任務目標進行分析和設計，在保徵探測器安全的情況下儘可能擴充探測成果。

而在木星探測整個任務過程中，地面需要與探測器進行不間斷通信，確認探測器狀態，發佈控制指令，接收科學數據。由於木星距離遙遠，探測器通信功率受限，通信信號強度微弱且數據傳輸速率低下。NASA和歐洲航天局都已建成全球範圍的深空網，並計劃在未來木星探測任務中綜合使用X和Ka頻段進行通信。目前中國深空網初步建成，X頻段深空測控體系已在火星探測任務中進行了驗證，但Ka頻段測控能力尚需完善。

另外，木星與地球間通信延時高達34分鐘，在對木星開展環繞探測時，地面無法對探測器進行即時遙測遙控，要求探測器具有極強的自主管理能力，確保探測任務正常實施。由於長時間的太空飛行和木星的高輻射環境，還要求探測器具備足夠的故障處理能力，已實施的“伽利略”號和“朱諾”號探測器都出現過機構故障或系統故障，“伽利略”號出現過高增益天線無法打開、數據記錄磁帶卡帶、導航系統失效等問題，“朱諾”號在行星際飛行過程中多次進入安全模式，推進系統也發生過故障。因此針對木星特殊的空間環境，中國方面需要進一步完善探測器故障診斷、處理能力，在機構和軌道設計上確保足夠的冗餘。