在木星，JUICE 和“快船”號將攜手尋找生命

如果太陽系的其他地方存在生命，那麼木星巨大的冰冷衛星很可能是尋找生命的最佳地點。

科學家們認為，巨大的海洋潛伏在它們內部，木星巨大的引力場不斷地攪動使海洋保持液態，而厚厚的冰層則保護它們免受這顆行星惡劣的輻射帶的影響。“我們在地球上學到的是，哪裡有水，哪裡就經常能找到生命，” 英國開放大學的馬克·福克斯-鮑威爾說。“當我們放眼太陽系時，現在擁有[液態]水的地方真的僅限於地球以及木星和土星的衛星。”美國國家航空航天局和歐洲航天局的卡西尼-惠更斯任務從 2004 年到 2017 年詳細研究了最後一顆行星及其衛星，它們仍然隱藏著科學家們有朝一日會去探索的秘密。目前，所有的目光都集中在木星上。

一項新的任務即將開始，該任務旨在訪問我們太陽系中最大的行星，並調查其衛星的宜居性。歐空局的 JUICE——木星冰衛星探測器——已經運往法屬蓋亞那，以便於 4 月由歐洲阿麗亞娜 5 號火箭發射升空。這艘重達 6 噸的 JUICE 探測器將花費 8 年時間到達木星，在此過程中，它將利用來自地球、金星和火星的引力助推來節省燃料。在 2031 年 7 月抵達木星後，這臺太陽能驅動的機器將把其 10 臺科學儀器集中在木星最大的四顆衛星中的三顆——木衛二、木衛三和木衛四——所有這些衛星都被認為擁有地下海洋。木衛三是太陽系中最大的衛星，將受到 JUICE 的最多關注。在初步勘測之後，探測器將於 2034 年進入木衛三軌道。“我們正在努力描述木衛三可能具有的宜居性，” 英國萊斯特大學的艾瑪·邦斯說，她是 JUICE 團隊的成員。

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歐空局並不是唯一一家將目光投向木星的航天機構。最終成為 JUICE 的概念於 2008 年作為歐羅巴木星系統任務 (EJSM) 的一部分而出現，這是一項與 NASA 的合資專案。這項合作努力呼籲歐洲建造一艘以木衛三為中心的航天器，而 NASA 將為木衛二建造一個探測器。然而，美國的資金問題導致 NASA 在 2010 年代初期終止了 EJSM，讓歐洲獨自飛行。“我們沒有錢，” 美國提案團隊成員、約翰·霍普金斯大學應用物理實驗室的路易絲·普羅克特說。“這扼殺了木衛二部分。”這種情況令人失望，但並非完全出乎意料。“這些事情時有發生，” 倫敦帝國學院的米歇爾·多爾蒂說，他曾在 EJSM 的歐洲方面工作。

2013 年，救贖來了，當時 NASA 探索木衛二的努力獲得了國會新的支援和資金。美國專案最初名為歐羅巴多次飛越任務，最終更名為歐羅巴“快船”號，取自 19 世紀的“快船”商船。國際合作得以重生，但大部分都減少了。“規模縮小了很多，” 普羅克特說，儘管她估計最初計劃的聯合科學研究仍有約 70% 可以實現。有了這兩項任務，我們對木星及其衛星的瞭解必將大大增加。這些航天器將告訴我們，在這些世界的神秘地下海洋中是否可能存在生命，為未來直接尋找此類生命的證據的任務奠定基礎，甚至可能潛入海洋本身。我們還不能前往其他恆星周圍的異星世界，但木星可能會提供下一個最佳選擇。

最早的衛星

木星領域通常被視為一個微型太陽系，因為這顆行星的衛星——尤其是它的四顆最大的衛星，即伽利略衛星，以義大利天文學家伽利略·伽利雷的名字命名，他在 1610 年發現了它們——的複雜性和多樣性。它們的發現震撼了人們對宇宙的理解，揭示了第一個已知的圍繞太陽或地球以外的天體執行的物體，從而驗證了哥白尼的宇宙模型，該模型並沒有把我們放在宇宙的中心。現在已知木星有 92 顆天然衛星。然而，即使是伽利略也可能沒有意識到 400 年後他的衛星會變得多麼令人著迷，或者它們在宇宙其他地方尋找生命的過程中可能會變得多麼關鍵。

第一個冒險進入木星領域，包括衛星在內的航天器是 NASA 的先驅者 10 號探測器。它於 1973 年 12 月飛掠過這顆行星，提供了我們第一批近距離拍攝到的壯麗氣體巨星的影像。1979 年 3 月，NASA 的旅行者 1 號探測器的飛掠被證明更加引人注目。該探測器拍攝的木衛二影像顯示，它有一個明亮、冰冷、沒有隕石坑的表面，這暗示某種地表重塑過程使其地殼保持新鮮和無瑕。科學家們推測，最好的解釋是地表下有一個看不見的液態水庫——考慮到地球上生命追隨水的蹤跡，這是一個誘人的選擇。

1995 年 12 月，NASA 的伽利略號任務成為第一個繞木星執行的任務，並取得了許多發現——例如，木星的第三大衛星木衛一，是太陽系中火山活動最活躍的世界。伽利略號在 1996 年在木衛二上獲取的資料發現，有什麼東西正在擾亂木星的磁場，這為木衛二表面下液態水的晃動提供了更有力的暗示。木衛二存在液態海洋的最佳證據出現在二十年後，當時哈勃太空望遠鏡發現了從木衛二表面噴出的水柱。伽利略號探測器繞木星運行了八年，於 2003 年結束任務，“這是一項非常棒的任務，” 歐空局 JUICE 專案科學家奧利維爾·維塔斯說。“我們真的是站在伽利略的肩膀上。”

在 NASA 的朱諾號探測器於 2016 年抵達木星之前，沒有其他探測器繞木星執行。朱諾號今天仍在執行，但它專注於木星本身，以環形軌道掠過木星，以探測這顆行星的內部，拍攝其劇烈的風暴，並監測其巨大的磁場。該探測器拍攝了一些木星衛星的影像，但真正揭示它們的秘密還需要專門的任務。這就是 JUICE 和“快船”號的用武之地。

衛星跳躍和羽流觀測

“快船”號將於 2024 年秋季在 SpaceX 獵鷹重型火箭上發射。儘管發射日期較晚，但其更強大的運載火箭將使該探測器比 JUICE 更早一年多到達木星，即 2030 年 4 月。它不會像 JUICE 繞木衛三執行那樣繞木衛二執行，因為木衛二靠近木星，使其危險地深入行星的輻射帶內。“快船”號將在木星系統中飛行時進行約 50 次木衛二飛掠，使其能夠繪製木衛二內部地圖，並確定其地下海洋的範圍，同時研究其他目標。“由於輻射環境，將軌道飛行器放置在木衛二週圍意味著你只能存活一到三個月，輻射就會殺死你，” NASA 總部位於華盛頓特區的歐羅巴“快船”號專案科學家科特·尼布林說。“我們意識到，我們可以改為飛掠，收集我們的資料，然後逃離輻射較低的區域。這樣我們就可以持續數年，而不是幾個月。”

在它們的重疊任務期間，JUICE 和“快船”號將在木星的景點之間跳躍，進行復雜的探戈舞，並有大量的合作機會。“同一個系統中有兩個航天器真是太棒了，” 維塔斯說。來自這兩個任務的大約 20 位科學家每週都會以虛擬方式會面，作為 JUICE-“快船”號指導委員會的一部分，該小組正在制定關於這兩個航天器如何在木星上同步的想法。“我們正忙於討論科學機會，並制定一個計劃” 以提交給 NASA 和歐空局，邦斯說，他與普羅克特共同擔任委員會主席。邦斯說，雖然“一些細節與最初的 EJSM 合作略有不同”，但總體夢想仍然存在。“最初的計劃是一項任務專注於木衛三，另一項任務專注於木衛二，” 她說。“這就是我們現在擁有的。”

一種可能性是，每個航天器都可以充當另一個航天器的觀察員。例如，當“快船”號準備掠過時，JUICE 可以從遠處密切關注木衛二——這是一個有價值的夥伴關係，特別是如果真的有液態水羽流從覆蓋冰層的裂縫中噴出。窺視這些羽流可能會導致研究“只有幾分鐘歷史”的海洋噴射物，福克斯-鮑威爾說。“它真的給了我們一個研究原始事物的機會。”當“快船”號接近木衛二時，JUICE 可以尋找從表面噴發的羽流，讓“快船”號將目光投向那個方向。“如果 JUICE 發現了一個羽流，那可以告訴我們該往哪裡看，” 普羅克特說。“快船”號甚至可能會幸運地穿過一些羽流，使其能夠直接對其進行取樣，並尋找可能暗示木衛二海洋中存在生命的複雜分子跡象。

JUICE 將在繞木衛三執行之前進行兩次木衛二飛掠。2032 年 7 月的那次飛掠將與“快船”號的飛掠僅相隔四小時。“我們可以同時進行類似的測量，” 維塔斯說。這可能會進行一些令人興奮的科學研究，儘管確切的細節尚未確定。“我們不會飛越同一地點，但這肯定會非常有趣，” 他補充道。“我們可以拍攝相似的表面特徵，或者如果有羽流，我們可以從不同的幾何角度觀察它。”

對木衛二的共同關注部分是基於科學家們的懷疑，即這顆衛星的液態水海洋與岩石核心直接接觸。那裡的熱液噴口——海底的開口，來自深處的更多熱量可以透過這些開口逸出——可以提供足夠的能量和營養來維持生命。“在地球上，我們有熱液噴口，那裡有整個生物群落，” 福克斯-鮑威爾說。“我們有充分的理由相信，類似的化學反應正在木衛二上發生。”然而，木衛三更大的體積意味著更高密度的冰可能已經沉到其海洋底部，形成了一個阻擋噴口的屏障。“它可能會將岩石核心封鎖起來，” 福克斯-鮑威爾說。“木衛二沒有大到足以產生那麼大的引力和壓力，因此不會形成高壓冰。”

兩項任務，同一個願景

這一切都沒有排除木衛三的宜居性可能性，也沒有削弱這顆衛星的科學價值。在 2034 年 12 月進入木衛三軌道後，JUICE 將勘測整個表面，研究這顆衛星的磁場，並嘗試繪製其水生內層的地圖。多爾蒂說，對於一個可能宜居的環境來說，它需要“熱源、液態水、有機物質和穩定性”。“在[土星的衛星]土衛二上，我們知道我們有三樣東西。在木衛二上，我們也有三樣東西。在木衛三上，我們正在努力找出答案。”雖然 JUICE 最初將從木衛三上方 5,000 公里的高軌道開始執行，但在九個月的時間裡，JUICE 將將其高度降低到木衛三表面上方僅 200 公里處。最終，在 2035 年任務結束時，探測器將被故意撞擊到表面，以最大限度地減少任何碎片汙染木衛二的可能性。人們認為木衛三沒有羽流活動，但如果確實存在羽流活動，或者發現其冰殼特別薄，則可能需要重新考慮這個結局，以免汙染木衛三的液態海洋。“如果有任何跡象表明內部海洋與外部表面之間存在聯絡，我們可能需要改變我們的軌道，” 歐空局 JUICE 專案經理朱塞佩·薩里說。

“快船”號將提供關於木衛二及其海洋的類似程度的知識。然而，它的設計目的不是尋找生命的確鑿證據；充其量，它或許會在木衛二的羽流中看到生命的成分。生命探測可能會在未來的任務中進行，例如 NASA 備受追捧的歐羅巴著陸器。NASA 噴氣推進實驗室的科學家和工程師多年前就起草了該任務的概念，但它仍在等待進一步的資金。“歐羅巴著陸器一段時間以來一直沒有出現在總統的預算或國會透過的預算中，” 尼布林說。與此同時，美國國家科學院在 2021 年底釋出的美國行星際探索路線圖將歐羅巴著陸器任務列為 NASA 優先於其他專案的較低優先順序。

目前，這項工作已存檔，準備好等待重生。“我確信歐羅巴‘快船’號將學到的知識將使我們想要再次前往木衛二，而某種著陸器是合乎邏輯的下一步，” 尼布林說。“但也許‘快船’號會給我們一個意外，著陸器不是正確的方法。也許我們想在羽流中懸停而不是著陸。”

如果科學家們真的想在這片外星海洋中潛水，那麼突破數公里厚的冰層本身就帶來了挑戰。一種可能性是，著陸器可以包括一個熱探針，以融化冰凍的地殼。去年，現在在佛羅里達理工學院的寶拉·杜瓦萊·佩雷拉領導了一項實驗，以瞭解這可能需要多長時間，她使用了一個兩米高的低溫冰柱，稱為歐羅巴塔，來模擬木衛二的表面。她在 2023 年 1 月初在西雅圖舉行的第 241 屆美國天文學會會議上介紹了她的工作，她發現這項任務可能需要 3 到 13 年的時間——即使對於持續數十年的外太陽系任務來說，這也是很長的時間。

除了時間的流逝之外，還存在其他障礙。“找出一種方法，讓電纜在著陸器和探測器之間傳輸電力和資訊是一個很大的問題，需要在未來幾年內解決，” 杜瓦萊·佩雷拉說。著陸器可能必須攜帶數公里長的電纜，並且電纜必須足夠堅韌，能夠承受探測器下降過程中周圍的水重新凍結成冰。然而，解決此類問題的科學價值是巨大的，尤其是在外星海洋內部直接放置某種機器的前景。

這樣的夢想離我們還很遙遠。實現這些夢想的任何希望都取決於前往木星，並確認其冰冷衛星是我們認為的那樣具有吸引力的目標。從 4 月的 JUICE 和明年的“快船”號開始，我們將解決一些關於木星衛星最令人好奇的問題，這些問題長期以來一直沒有得到解答。伽利略號探測器“向我們揭示了值得再次前往木星，” 尼布林說。現在我們正在這樣做，而且不是用一艘而是兩艘航天器——跨大西洋的合作伙伴關係，以顯著推進在我們太陽周圍尋找宜居性的工作。在我們的太陽系中，沒有哪個世界像地球一樣，但也許像木衛二甚至木衛三這樣的地方是第二接近地球的地方。如果生命可以在這裡生存，誰知道它還會在哪裡繁榮發展呢？