歐羅巴任務預示著外星生命探索的巨大變革 [影片]

美國國家航空航天局 (NASA) 不喜歡宣傳這件事，但自從 1958 年成立以來，該航天機構只進行過一次直接、有重點的對外星生命的搜尋——那還是 40 多年前的事了。

那發生在 1976 年，當時孿生海盜號著陸器在火星上不同的地點著陸，以尋找這顆行星荒涼、凍乾的表面上潛伏的任何生命跡象。海盜號任務曾經是——現在仍然是——有史以來發射的最昂貴的行星科學任務，也是一項技術上的傑作，為未來所有行星際探索奠定了基礎。然而，兩個著陸器在尋找生命的過程中都空手而歸，此後，NASA 傾向於進行一系列任務——其中大多數是前往火星的任務——這些任務改變了我們對我們鄰近世界的理解，但它們小心翼翼地繞開了它們是否孕育生命這個核心問題。

現在，在火星沙漠中徘徊了數十年之後，NASA 的天體生物學家終於準備重新點燃在太陽系中直接尋找“第二次創世紀”生命的希望——但不是在人們可能認為的地方。這一次，他們將目光投向遠超火星的地方，火星是我們行星鄰居中最像地球的行星，而是投向外太陽系黑暗的深處，探測器和太空望遠鏡在那裡揭示了越來越多關於冰冷衛星和矮行星內部隱藏海洋的誘人跡象。科學家們說，這些環境是由潮汐力而不是陽光加熱的，可能孕育著生命。“這些海洋可能靠近地表，也可能更深，冰殼更厚，但那裡一定有液態或泥濘狀的水——甚至一直到冥王星，”NASA 行星科學部門主管、該機構初期的海洋世界探索計劃的架構師詹姆斯·格林說。

支援科學新聞報道

如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關當今塑造我們世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。

該計劃的中心重點是歐羅巴，它是木星的一顆衛星，儘管略小於地球的月球伴侶，但據認為它包含的海洋體積是我們地球所有海洋總和的兩倍。來自先前航天器飛越的資料暗示，歐羅巴的海洋已經存在數十億年，並且與這顆衛星炎熱的岩石核心直接接觸，為生命在內部的某個地方開始提供了充足的時間和能量。任何歐羅巴生物圈都被鎖定在平均厚度至少數十公里的地殼之下，可能永遠無法觸及。然而，偶爾海水會上湧，穿過地殼中的裂縫，在表面或接近表面處凍結，而哈勃太空望遠鏡最近的觀測表明，海洋甚至可能透過從地表下噴發的類似間歇泉的羽流向太空釋放大量水蒸氣。如果天文學家能夠收集到冰凍物質或蒸汽，他們可能會了解歐羅巴內部潛伏著什麼，或者是否存在任何東西。

萬眾矚目歐羅巴

NASA 已經在開發一個計劃在 2020 年代發射的航天器，稱為歐羅巴多次飛越任務。EMFM 將圍繞木星執行，45 次掠過歐羅巴，以研究傳聞中的羽流，測量這顆衛星冰殼的厚度，並以高解析度繪製地表地圖。然而，EMFM 只是一個序幕。根據國會在 2015 年下達的指令，該機構正在研究著陸器的概念，目的是在歐羅巴表面著陸，明確目的是收集和研究樣本，以尋找外星生物。一個由 21 名生物學家、地質學家、空間科學家和飛行工程師組成的小組編寫的新研究詳細描述了潛在的著陸器，並預測它最早可能在 2031 年在歐羅巴著陸。“這才是我們真正想知道的，”格林說。“那個海洋裡有什麼，它有生命嗎？著陸器實際上是為了下一步……我希望看到著陸器坐在羽流下——羽流拍打著它的甲板，新鮮物質從裂縫中湧出。現在，我們準備好了嗎？還差一點。”

儘管國會強烈要求 NASA 探索歐羅巴，但並不能保證它實際上會為該機構提供任務所需的資金，而該任務顯然沒有標價。NASA 官員表示，成本估算將在稍後，在與科學界仔細協商後，更不用說國會中同情和有權勢的成員了。

NASA 噴氣推進實驗室 (JPL) 的高階研究科學家和 EMFM 的專案科學家鮑勃·帕帕拉爾多認為，有充分的理由在短期內連續發射軌道飛行器和著陸器任務。“這就像花生醬和果凍——單獨來看，它們都做不成美味的三明治，但放在一起就很棒，”他說，並補充說，任何一項任務本身都很棒。“EMFM 將解決歐羅巴全球宜居性的關鍵問題——它的地質、化學、表面變化以及液態水的位置。如果你真的想全力以赴，尋找生命跡象，那麼你需要跟進這些發現，放大並下降到地表……我曾經認為這太遙遠了，我們這輩子都看不到。現在，我不太確定了。”

喬納森·盧寧仍然持懷疑態度。這位康奈爾大學的行星科學家已經看到太多工提案在到達發射臺之前就夭折了，因此對近期著陸器的前景過於樂觀。“我希望在我的科學職業生涯中看到這一切發生，但我們還處於早期階段，因此很難預測這會在何時發生，”他說。“我一直認為，政治過程——獲得批准和資金——是行星任務可能面臨的最危險的環境。”

來自海盜號的經驗教訓

無論何時——如果真有那麼一天——NASA 的任務規劃者批准了尋找生命的歐羅巴著陸器，海盜號的陷阱陰影將籠罩著每一個挑戰。它如何安全著陸？應該去哪裡？最重要的是，它應該如何尋找外星生命？

低解析度軌道影像和簡化的反推火箭迫使海盜號著陸器在沉悶、佈滿巨石的平原上著陸，事實證明，這些平原不利於尋找生命。著陸器攜帶了三個相對原始的生命探測實驗，這些實驗是在遺傳學和微生物生態學仍處於起步階段，以及對火星環境的瞭解還非常有限時構思出來的。每個實驗都調查了土壤樣本中是否有機體新陳代謝的跡象，即生物體賴以產生和利用能量的化學反應。然而，這些樣本是從地表直接刮取的，那裡強烈的紫外線輻射和宇宙射線會殺死幾乎任何可以想象得到的微生物，從而消除了潛在的代謝特徵。這些和其他麻煩確保了海盜號的實驗並沒有為火星上的生命提供有力的證據，而是給出了令人困惑、相互矛盾的結果。

相比之下，歐羅巴著陸器將不得不依靠截然不同的技術來進行著陸、操作和尋找生命，這主要基於從海盜號吸取的教訓。

安全著陸，收集樣本

在著陸器甚至接近歐羅巴之前，EMFM 的高解析度偵察將有助於找到一個引人注目的著陸點——理想情況下是一個富含來自下方海洋的新鮮物質的年輕冰層區域，這些物質可能是透過裂縫向上擠壓或像雪一樣從附近的羽流中落下。它將使用像 2012 年在火星上輕輕放置 NASA 的好奇號探測車的“空中吊車”一樣的方式著陸，從而提高在充滿障礙物的地形中實現精確定點著陸的機率。“最大的技術障礙是設計一種能夠安全地降落在很大程度上未知的表面上的航天器，”NASA 外太陽系任務的專案科學家科特·尼布林說。“但是，如果我們能夠迎接在歐羅巴著陸的挑戰，那麼我們就可以在任何地方著陸。”

儘管任務規劃者尚未以非常高的解析度繪製歐羅巴地圖，但他們已經看到的較低解析度影像顯示，地形崎嶇到足以讓他們做噩夢，佐治亞理工學院的行星科學家、該研究的合著者布列塔尼·施密特說。“地球上的冰面非常複雜，而且我們觀察到的歐羅巴在每個尺度上都很粗糙，因此找到一個平坦的地方可能是不可能的，”她說。“很難不擔心這一點。火星對我們來說一直很困難——而且它遠比歐羅巴平坦。”

許多最誘人的著陸點實際上也可能是最危險的——所謂的“混沌區域”，其定義是山脊、坑窪和裂縫雜亂無章地蔓延在它們之上。這些區域可能是液態水透過相對較薄的地殼接近地表的地方，導致上方的地面由於融化和再凍結的迴圈而坍塌和移動。施密特個人最喜歡的著陸點——也是該研究的主要候選地點之一——是泰拉·瑪庫拉，這是一個靠近可能的羽流源的混沌區域，也位於歐羅巴表面相對無輻射的區域。

如果歐羅巴著陸器成功到達地表，它將部署一套精密的儀器包，以表徵其周圍環境，並進行比海盜號時代可能進行的更廣泛的生命搜尋。立體相機將找到用於樣本收集的目標，地震儀將使用冰震的回波繪製地下地圖。光譜儀和顯微鏡將不再專注於新陳代謝，而是尋找生命的生物化學構建模組——有機分子，甚至可能是單個細胞——在機械臂雕刻或鑽探的原始樣本中，機械臂可以穿透月球表面下方多達 10 釐米。

儘管受益於 40 年的科技進步，但與海盜號相比，歐羅巴著陸器在一個關鍵領域將處於明顯的劣勢。木星衛星是一個更加陌生的場所，與地球或火星的相似之處更少，無法指導實驗設計。“歐羅巴是下一個提出關於如何在地球之外探測生命這個始終棘手問題的正確地點，”NASA 戈達德太空飛行中心首席科學家、著陸器研究小組聯合主席吉姆·加文說。“讓這件事既令人興奮又令人生畏的是，在與火星相比非常‘惡劣’的環境中設計必要的分析測量。”

在歐羅巴赤道，平均地表溫度徘徊在寒冷的零下 160 攝氏度左右，整個地表不斷遭受來自木星巨大磁場中捕獲的粒子的致命輻射的轟擊，更不用說偶爾到來的太空岩石了。著陸器的大部分精密儀器都將保持相對溫暖並受到輻射遮蔽艙的保護，只留下機械臂和攝像頭暴露在外。著陸器可能在該寒冷、惡劣的表面上執行一個月後就會失效。

陰影中的生物圈

歐羅巴內部神秘的水世界將宜居性的標準概念推向了極端，並需要一種全新的生命搜尋方法。“豐富的光合生產力的影響滲透到我們的大氣層、海洋和上地殼，因此我們對有人居住的世界是什麼樣子的直覺在很大程度上是基於這種背景的，”NASA 艾姆斯研究中心的天體生物學家、著陸器研究的合著者托里·霍勒說。“歐羅巴生物圈（如果存在的話）受到一組非常不同的環境因素的限制。”

歐羅巴的海洋中不可能有賦予生命的光照陽光，因此科學家們認為，那裡的生物可能是化能合成的而不是光合作用的，很像生活在地球海底熱液噴口的生物。在寒冷、黑暗、鹹澀的深淵中的生命可能相當慵懶，生物化學受到可用能量和營養物質相對匱乏的限制，類似於南極洲（例如冰下沃斯托克湖和高鹽度的維達湖）發現的極簡主義水生生態系統。歐羅巴著陸器無法直接探測這些海底環境，而是必須尋找可能充滿海洋並融入地表冰中的生物副產品。

以類似的方式，科學家可以透過測量稀釋在大量海水中的細胞和氨基酸濃度來估計地球上的深海生物活動。基於此類地球測量，歐羅巴研究小組為著陸器的生命搜尋實驗設定了高標準，這些實驗必須能夠辨別稀釋到大約 500 億分之一的有機物質，以及每立方厘米冰中少至 100 個細胞。“我們基本上希望有一種非常強有力的方法來理解任何模稜兩可的結果，”噴氣推進實驗室的行星科學家、著陸器研究小組的聯合主席凱文·漢德解釋說。“如果著陸器在冰中找不到複雜有機物或微生物細胞的證據，我們就會知道，如果歐羅巴存在生命，它只會留下微弱的生物特徵，而這種生物特徵低於南極洲沃斯托克湖等地方發現的有機物和細胞計數水平。”

這樣的結果會令人失望，但在霍勒和他的合著者看來，更大的失望是，如果它被視為一次失敗，從而扼殺了進一步探索歐羅巴和其他冰冷衛星的任務的勢頭。歐羅巴不太可能將所有秘密都交給第一艘在那裡著陸的著陸器，而這樣的任務可能僅僅是 NASA 海洋世界計劃的開始。未來的任務可能會探索土星的土衛二和土衛六、海王星的海衛一，甚至冥王星深處的地下海洋。樂觀的研究人員預感到即將到來的巨大變革，已經在勾勒出一些瘋狂的想法，例如旨在鑽孔或融化數公里厚冰層的星際潛艇。

“即使我們以某種方式說服自己歐羅巴沒有生命，而我真的認為不可能做到這一點，”霍勒說，“它仍然是一個非常有趣的地方，值得去了解。”