长途跋涉到木星，只为找到水

开栏的话

航天员在太空中怎么生活？月球和火星探测任务有什么新发现？我们找到暗物质的证据了吗？随着我国航天工程的成功实施，太空知识科普更容易吸引公众的关注，尤其是激发青少年的好奇心和求知欲。

为了更好科普太空领域科学知识，科普时报社联合中国空间科学学会开辟太空科普专栏，科普空间科学最新研究进展和成果。对于新航天任务、太空领域相关的大型设备设施、未来计划等，会定期请专家解读其中的科学背景知识。同时，专栏也会报道太空科普活动，邀请相关专家分享在太空科普方面的经验。栏目由中国空间科学学会科普工作委员会主任、中国航天科普大使刘勇主持。

欧洲航天局4月14日在法属圭亚那用阿丽亚娜5号运载火箭将木星冰卫星探测器（Juice）送入轨道。探测器主要目标是探测木星及其最大的三颗冰卫星——木卫二、木卫三和木卫四的外层冰壳之下潜藏的液态水海洋。

冰卫星外壳下是否潜藏海洋

木星冰卫星探测器会在行星际空间航行8年，于2031年到达木星。进入木星轨道后，探测器将会在距离卫星200至1000公里内近距离经过3颗冰卫星，以前所未有的细节深入刻画木星卫星的结构特征和潜在的生命宜居性。探测器将两次飞掠木卫二，并分别对木卫三和木卫四进行12次和21次飞掠探测，最后环绕木卫三进行至少9个月的探测。这是人类第一次发射飞船去环绕另一个行星的卫星，在此之前只有绕月球的飞行器。

此前，科学家已对木星进行多个深空探测任务，例如“旅行者1号”和“旅行者2号”、“伽利略”号、“卡西尼”号，以及正在木星轨道执行任务的朱诺号。

人们曾经认为，这些冰卫星不过是死寂的冰砾岩块。但通过此前几个卫星探测器对木星冰卫星所进行的探查，我们认识到这些遥远的卫星实际上类似于行星，具有丰富的地质活动历史，这对于人类探索宇宙中可能的地外生命具有重大意义。在此之前，我们在搜寻可能具有宜居性的天体时，往往把目光聚焦在诸如火星的类地行星，认为类地行星具有与地球相似的历史，可能曾经拥有大气层和海洋。

在我们最为熟悉的地球上，人们已经知道即使在最为幽暗的海底深渊，只要有海底热泉给出的一点点热量，生命就能顽强绽放。而木星的3颗最大的冰卫星向我们展露了一个极其重要的线索：在它们的冰外壳之下，可能潜藏着以液态水形式存在的海洋。那么我们很自然地就要发问：在遥远的木星冰卫星的海洋底部可能存在生命吗？

木星冰卫星探测器的任务正是为此而生。根据从地球生命得到的经验，我们认识到生命产生的3个基本要素，即液态水、热源和有机物，并且这三要素需要在足够长的时间里稳定存在，这样生命才有可能产生。相较于火星等类地行星，太阳为非常遥远的木星和土星提供的光和热是极其有限的。因此，长久以来人们就认为，这些巨行星和它们的卫星不可能有液态水和生命。但是通过“伽利略”号和“卡西尼”号的观测，人们意识到尽管木星的3颗冰卫星的最外层被厚厚的冰壳覆盖，但是卫星的内核仍然可能产热，而这个热源就有可能在冰外壳之下产生并维持液态海洋，使其成为现存或灭绝的生命的栖息地。

借助引力助推近距离探查冰卫星

由于木星冰卫星探测器的主要目标是近距离探查3颗冰卫星，在任务前期环绕木星阶段，探测器需要通过不断进行变轨来多次飞掠卫星，这就导致必须用大量燃料对探测器进行推进和制动。

木星冰卫星探测器重达约6吨，其中约3吨都是燃料，而搭载的10台最先进的科学仪器总重量只有约100千克。也正是因为大量燃料必须用于供给进入木星轨道之后的复杂变轨，探测器需要以牺牲地球至木星的时效性为代价——飞船无法携带足够多的燃料进行快速的行星际航行。结果采取的妥协方案是：长途跋涉没有干粮，那就一路靠天吃饭——借助太阳系天体的引力进行助推。因此，在长达8年的行星际航行中，探测器将于2024年8月重返地球附近，并进行地—月系统引力助推，然后于2025年8月进行金星引力助推，最后将于2026年9月和2029年1月两次重返地球，分别进行两次地球引力助推。也就是说，探测器将花费近6年的时间与地球和金星一起绕着太阳原地转圈圈，耐心地借助地球和金星的引力逐步加速。在2029年的最后一次地球引力助推中，探测器将最终获得足够高的速度，然后用两年时间快速飞抵木星。
经受高能辐射“枪林弹雨”考验

经过艰苦跋涉进入木星轨道后，木星冰卫星探测器还将面临另一个重要考验——木星附近空间中恶劣的高能带电粒子辐射环境。

木星的磁场是太阳系所有行星中最强的，因此能够捕获大量速度极为接近光速的超高能带电粒子，形成比地球严峻得多的高能粒子辐射环境。如果近地空间的粒子辐射环境是北京春天的扬尘，那么木星的粒子辐射就好比撒哈拉的沙暴。

作为探测器的主要目标，木卫二和木卫三离木星更近，因此这两颗卫星的轨道都深埋于强辐射的“枪林弹雨”中。为了能够在恶劣辐射环境中生还，探测器只能对离木星最近的木卫二进行两次飞掠，而对木卫三和最远的木卫四则会分别实施12次和21次飞掠。在此过程中，探测器搭载的磁强计和粒子探测器等仪器将对冰卫星附近的木星磁场和高能粒子环境进行全面测量，并进一步解析木星的强磁场和粒子辐射环境会对冰卫星的表面造成何种影响。这对于探查卫星冰外壳之下可能潜藏的生命是至关重要的，因为高能粒子不仅能够击穿飞船和仪器载荷造成损毁，也会对包括人类在内的生命体构成威胁，这也是载人往返火星必须克服的重大难题之一。

与之前探测木星的前辈相比，此次探测器名称（Juice意为果汁）一下子就变成了清甜与轻快。但这并非源于不知前路艰难的懵懂，而恰恰相反，木星冰卫星探测器是在洞察了上下求索的险峻后，褪去厚重苦涩的果皮，给木星敬上的一杯小甜水。它实则与前辈们秉持着同样的信念，到木星的极端环境中去探寻生命的可能性，因为人们坚信，即使在最为幽暗的深渊，只要给出一点点光和热，生命就能顽强绽放。

干杯，Juice！敬太阳系行星之王，敬一往无前的深空探索者，敬广袤宇宙中的生命。

（作者系中国科学院地质与地球物理研究所副研究员）

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