JUICE：派往探索木星冰衛(wèi)星的使者已啟程！

出品：科普中國(guó)

作者：李臻臻（中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)） 隋元（上海諾思蘭頓學(xué)校）

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

北京時(shí)間2023年4月14日20時(shí)14分，歐洲空間局（簡(jiǎn)稱歐空局）成功將木星冰月探測(cè)器（Jupiter Icy Moons Explorer, 縮寫JUICE），通過(guò)搭載阿麗亞娜5號(hào)運(yùn)載火箭，于法屬圭亞那太空港發(fā)射升空。

按照計(jì)劃，JUICE將經(jīng)過(guò)8年的太空旅行，于2031年抵達(dá)木星系統(tǒng)。屆時(shí)，JUICE將對(duì)木星及其周圍的三顆冰衛(wèi)星（木衛(wèi)二、木衛(wèi)三和木衛(wèi)四）開展探測(cè)，研究木星的大氣層和磁場(chǎng)、冰衛(wèi)星表面的冰殼及化合物成分，并探尋冰衛(wèi)星可能存在的生命。

JUICE搭載的航天器

（圖片來(lái)源：歐空局）

JUICE發(fā)射現(xiàn)場(chǎng)

（圖片來(lái)源：ESA/CNES/Arianespace）

人類的探索旅程：從遙望到“登門”

作為最容易被肉眼看到的天體之一，木星很早就被人們發(fā)現(xiàn)了，而木星周圍的衛(wèi)星卻難以通過(guò)肉眼被直接看到。

1610年，意大利天文學(xué)家伽利略將自制的天文望遠(yuǎn)鏡指向木星，首次發(fā)現(xiàn)木星周圍存在4顆衛(wèi)星。這個(gè)發(fā)現(xiàn)（除了地球，其他行星也有衛(wèi)星），在當(dāng)時(shí)對(duì)人們的認(rèn)知產(chǎn)生了巨大的沖擊，并促進(jìn)了后來(lái)科學(xué)思想的萌芽和發(fā)展。

為致敬偉大科學(xué)家伽利略的壯舉，此次發(fā)射的JUICE航天器的背面特意安裝了一塊紀(jì)念伽利略的牌匾。

通過(guò)望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)，人們對(duì)木星及其衛(wèi)星系統(tǒng)已經(jīng)有了許多了解。木星是太陽(yáng)系中體積最大（相當(dāng)于1321個(gè)地球）、質(zhì)量最重（是其他七大行星質(zhì)量總和的2.5倍）的行星。巨大的質(zhì)量使得木星擁有數(shù)目眾多的衛(wèi)星（截至目前已知的有92顆）。其中木衛(wèi)一、木衛(wèi)二、木衛(wèi)三和木衛(wèi)四，由早年伽利略發(fā)現(xiàn)，后被稱為伽利略衛(wèi)星；其他的衛(wèi)星暗得多，需要通過(guò)較大口徑的望遠(yuǎn)鏡才能看到。

時(shí)至今日，我們對(duì)地球鄰居木星系統(tǒng)的了解，不再局限于在地球上通過(guò)望遠(yuǎn)鏡遠(yuǎn)遠(yuǎn)地觀望，而是可以通過(guò)發(fā)射探測(cè)器抵達(dá)木星“登門拜訪”，在現(xiàn)場(chǎng)勘查并將當(dāng)?shù)氐那闆r通過(guò)無(wú)線電傳送回地球。

近幾十年來(lái)，人類通過(guò)發(fā)射一系列航天器，已經(jīng)對(duì)木星進(jìn)行了多次探測(cè)。這些探測(cè)始于20世紀(jì)70年代美國(guó)宇航局（NASA）的“先驅(qū)”計(jì)劃。目前仍在進(jìn)行的探測(cè)包括NASA的“朱諾”和“木衛(wèi)二”任務(wù)，以及歐洲航天局的“尤斯”號(hào)。

木星探測(cè)進(jìn)程的時(shí)間軸

（圖片來(lái)源：歐空局；中文翻譯由作者添加）

這些探測(cè)器大大豐富了人們對(duì)木星及其衛(wèi)星系統(tǒng)的了解。這些派往木星的信使向我們描述了以下信息：木星大部分是液態(tài)和氣態(tài)的，那里有極端多變的大氣層、大規(guī)模雷暴、很強(qiáng)的磁場(chǎng)；木星的衛(wèi)星存在液態(tài)水海洋、地下水、活火山等跡象。這些跡象提示我們，木星及其周圍的衛(wèi)星，可能存在適合生命存活的棲息地。

JUICE的旅程規(guī)劃

按照計(jì)劃，JUICE發(fā)射升空后，將于2031年7月進(jìn)入木星的軌道，在2034年底將進(jìn)入木衛(wèi)三的軌道，這將是人類航天器首次對(duì)我們地球自己的衛(wèi)星以外的衛(wèi)星進(jìn)行的環(huán)繞飛行。

JUICE飛往木星系統(tǒng)的旅程規(guī)劃

（圖片來(lái)源：歐空局；中文翻譯由作者添加）

JUICE不是直接飛向木星，而是將經(jīng)歷曲折的旅程。JUICE沿途將飛越多顆行星和衛(wèi)星，借助這些天體的引力，改變飛行軌道并獲得加速，以節(jié)省飛行器的燃料。

JUICE飛往木星系統(tǒng)的想象圖

（圖片來(lái)源：歐空局）

木星到太陽(yáng)的距離約是日地距離的5倍，在木星周圍接收的太陽(yáng)能將比在地球上少很多。為盡可能多的獲取太陽(yáng)的能量，JUICE搭乘的航天器擁有85平方米的巨大太陽(yáng)能電池板，是有史以來(lái)為行星際航天器建造的最大太陽(yáng)能電池板。

最后，JUICE在完成其歷史使命后，將在木衛(wèi)三上銷毀。

JUICE的裝備和技能

JUICE重約6噸，攜帶了包括光學(xué)照相機(jī)、質(zhì)譜儀、雷達(dá)探測(cè)器和磁力儀等多種科學(xué)儀器，將對(duì)木星及其冰衛(wèi)星開展多方面的探測(cè)。

JUICE攜帶的質(zhì)譜儀將對(duì)木星三顆衛(wèi)星的大氣表面和內(nèi)部進(jìn)行探測(cè)。當(dāng)木星衛(wèi)星冰殼裂縫中噴出海水時(shí)，JUICE將進(jìn)行實(shí)時(shí)取樣，分析其中可能表明生命存在的有機(jī)分子。

JUICE采集木星衛(wèi)星冰殼噴出的海水示意圖

（圖片來(lái)源：歐空局）

JUICE攜帶的雷達(dá)可以穿透至少9千米厚的冰層。如果衛(wèi)星表面的冰殼足夠薄，雷達(dá)可能會(huì)探測(cè)到冰殼下的海洋，或者至少探測(cè)到嵌入冰中的地下水囊。這些地下水囊的噴發(fā)，可能是導(dǎo)致木星衛(wèi)星出現(xiàn)裂隙景觀的原因。

JUICE探測(cè)木星衛(wèi)星表面冰殼示意圖

（圖片來(lái)源：歐空局）

JUICE的科學(xué)任務(wù)

JUICE將致力于解決5個(gè)首要科學(xué)疑問(wèn)。

1.木星衛(wèi)星的海洋世界是什么樣的？

木星周圍有3個(gè)衛(wèi)星,其結(jié)冰的地殼之下可能隱藏著大量的液態(tài)水。這些海洋有多深?海水是咸水還是淡水？JUICE將探測(cè)這些衛(wèi)星的冰殼和隱藏的海洋層，理解它們形成的條件機(jī)制。

2.木衛(wèi)三為何如此獨(dú)特？

在木星的這3個(gè)冰衛(wèi)星中，探測(cè)木衛(wèi)三是JUICE的首要科學(xué)目標(biāo)。木衛(wèi)三是太陽(yáng)系中最大的衛(wèi)星，也是唯一一顆具有內(nèi)稟磁場(chǎng)的衛(wèi)星。

木衛(wèi)三為研究冰世界的特性提供了理想的天然實(shí)驗(yàn)室。JUICE將專注于這顆衛(wèi)星，同時(shí)比較對(duì)木衛(wèi)二和木衛(wèi)四的觀測(cè)。作為第一個(gè)在冰海衛(wèi)星軌道運(yùn)行的宇航探測(cè)器，JUICE將使用其10套先進(jìn)的儀器來(lái)測(cè)量木衛(wèi)三的旋轉(zhuǎn)、重力場(chǎng)、形狀、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、磁場(chǎng)和物質(zhì)成分等。JUICE還將調(diào)查木衛(wèi)三大氣中的水氣和其他物質(zhì)，以充分了解該衛(wèi)星空間環(huán)境發(fā)生的過(guò)程。

JUICE對(duì)木星系統(tǒng)巡視的想象圖

（圖片來(lái)源：歐空局）

3.木星系統(tǒng)中是否存在生命？

JUICE的核心探測(cè)目標(biāo)之一是確定木星的衛(wèi)星是否能夠提供適宜生命存在的環(huán)境。

木星作為一顆氣態(tài)巨行星，不適合生命存在，而木星周圍衛(wèi)星的冰殼下則可能存在液態(tài)水海洋。作為太陽(yáng)系中最大的衛(wèi)星，木衛(wèi)三可以用自身磁場(chǎng)來(lái)屏蔽太空輻射。同時(shí)，木衛(wèi)三與木星的引力相互作用，可以通過(guò)潮汐加熱機(jī)制獲得能量。而這些環(huán)境因素正是生命存活所需要的條件。

由于木衛(wèi)三具備的這些環(huán)境要素，人們對(duì)這顆冰衛(wèi)星可能存在生命跡象充滿著期待。木衛(wèi)三海洋的環(huán)境，可能與我們地球深海海底的環(huán)境類似。鑒于在地球深海海底沒(méi)有陽(yáng)光，卻仍然存在依靠海底火山、熱泉獲取能量的生物，那么木衛(wèi)三海洋世界也有有生命存在的可能性。

JUICE將對(duì)木星的3顆冰衛(wèi)星的隱藏海洋、磁場(chǎng)、加熱過(guò)程、潮汐效應(yīng)、軌道、表面活動(dòng)、內(nèi)核成分、大氣和太空環(huán)境進(jìn)行探測(cè)，確定是否存在生命所必需的條件。JUICE的高分辨率定位有助于尋找冰衛(wèi)星海洋世界中生物必需的、重要的元素。

JUICE對(duì)木星衛(wèi)星冰殼及化合物成分的研究甚至超出對(duì)木星系統(tǒng)本身的研究，因?yàn)檫@樣的研究可以幫助人類了解整個(gè)宇宙中“冰雪世界”對(duì)生命存在的普遍宜居性。

4.木星與其衛(wèi)星的復(fù)雜環(huán)境是如何相互影響塑造的？

木星具有強(qiáng)大而獨(dú)特的重力場(chǎng)、磁場(chǎng)和等離子體環(huán)境。其中，了解行星復(fù)雜的磁環(huán)境仍然是太陽(yáng)系懸而未決的奧秘之一，也是JUICE旨在解決的一個(gè)問(wèn)題。JUICE還將研究木星復(fù)雜的引力環(huán)境，了解木星與其衛(wèi)星之間的潮汐相互作用，以及衛(wèi)星軌道動(dòng)力學(xué)之間的關(guān)系。

總的來(lái)說(shuō)，JUICE將探討木星環(huán)境的不同方面是如何耦合在一起的。這不僅可以幫助我們揭示更多關(guān)于太陽(yáng)系的知識(shí)，也有助于我們更好地理解宇宙中的其他行星系統(tǒng)。

5.經(jīng)典氣態(tài)巨行星是什么樣的？它是如何形成，以及如何發(fā)揮作用的?

木星系統(tǒng)是太陽(yáng)系中氣態(tài)巨星的原型，也是許多太陽(yáng)系之外其他恒星系中氣態(tài)巨星的原型。JUICE的一個(gè)主要目標(biāo)是理解氣體巨行星及其衛(wèi)星是如何形成和演化的。

探討木星及其衛(wèi)星的起源、歷史和演化，有助于理解行星系統(tǒng)如何隨時(shí)間演化，以及揭示其他恒星周圍的木星系統(tǒng)可能存在的宜居環(huán)境。

總的來(lái)說(shuō)，JUICE對(duì)木星系統(tǒng)研究的更廣泛意義，在于理解普遍行星系統(tǒng)如何像木星系統(tǒng)那樣工作。

結(jié)語(yǔ)

“浩瀚星空，探索永無(wú)止境”。從400多年前伽利略通過(guò)望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)木星衛(wèi)星系統(tǒng)，到現(xiàn)在發(fā)射探測(cè)器抵達(dá)木星衛(wèi)星繞行巡視，人類對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)在不停前進(jìn)。期待JUICE順利完成預(yù)定科學(xué)任務(wù)，并給我們傳回木星世界新的消息。

參考文獻(xiàn)：

【1】ESA. juice-Jupiter Icy Moons Explorer[EB/OL]. [2023年4月13日].

【2】ESA. JOURNAL ARCHIVE of juice[EB/OL]. [2023年4月13日].