探測(cè)器瞄準(zhǔn)木星系，人類(lèi)不懈追尋遙遠(yuǎn)奧秘

近日，歐空局的木星冰月探測(cè)器升空，將在多年后重點(diǎn)觀(guān)測(cè)木星及其3顆冰冷的衛(wèi)星。這次任務(wù)將借助新技術(shù)、新規(guī)劃，關(guān)注外星生命等多個(gè)重點(diǎn)目標(biāo)，堪稱(chēng)是滿(mǎn)足人類(lèi)好奇心的又一個(gè)深空例證。未來(lái)，人類(lèi)有望借此發(fā)展出更強(qiáng)大的航天運(yùn)載工具和更出色的探測(cè)手段。

阿里安-5大型火箭發(fā)射木星冰月探測(cè)器（圖源：歐空局）

事實(shí)上，深空探測(cè)始終是重要的航天科研方向，尤其是探索太陽(yáng)系內(nèi)最大的行星木星，它的質(zhì)量是太陽(yáng)系中其他行星總和的兩倍多。木星是人類(lèi)發(fā)現(xiàn)的首顆氣態(tài)巨行星，主要由液態(tài)和氣態(tài)氫組成，沒(méi)有固體表面。

不過(guò)，深空探測(cè)受限于火箭發(fā)射能力，很難直接賦予探測(cè)器足夠的初始速度。在人類(lèi)掌握行星引力助推技術(shù)后，飛掠的探測(cè)器可以不斷加速，最終達(dá)到理論上能夠逃逸太陽(yáng)系的速度，為探訪(fǎng)木星提供了可能。

20世紀(jì)70年代，美國(guó)多個(gè)探測(cè)器飛掠木星，初步揭開(kāi)了木星的神秘“面紗”，尤其是近距離觀(guān)測(cè)木星大氣中的大紅斑。后來(lái)，不少深空探測(cè)器把木星作為漫長(zhǎng)旅途的重要“中轉(zhuǎn)站”。

人類(lèi)首次系統(tǒng)性研究木星，則是伽利略號(hào)探測(cè)器。雖然高增益天線(xiàn)出現(xiàn)故障，導(dǎo)致其與地球通信能力大幅下降，但伽利略號(hào)探測(cè)器還是在1995～2003年間實(shí)現(xiàn)了環(huán)繞木星34圈的壯舉，深入研究了木星及其衛(wèi)星系統(tǒng)的構(gòu)造、磁場(chǎng)、大氣等。它通過(guò)對(duì)磁性極點(diǎn)不斷移動(dòng)觀(guān)測(cè)，初步形成了“木星衛(wèi)星表面冰層下存在巨大海洋”的結(jié)論，也就是所謂的“冰月”，又進(jìn)一步推動(dòng)了木星冰月探測(cè)計(jì)劃。

探測(cè)木星衛(wèi)星的前提是對(duì)木星有充分了解。為此，美國(guó)的朱諾號(hào)探測(cè)器在2011年“先行一步”，2016年進(jìn)入環(huán)繞木星軌道，全方位研究木星，重點(diǎn)是確定木星各種氣體的比例、質(zhì)量、引力場(chǎng)和磁場(chǎng)等細(xì)節(jié)。

木星冰月探測(cè)器和美國(guó)計(jì)劃在2024年發(fā)射的“歐羅巴快船”，都將研究木星的各個(gè)冰月。歐空局的重點(diǎn)目標(biāo)是木衛(wèi)三甘尼米德，探測(cè)器還會(huì)反復(fù)飛掠木衛(wèi)二和木衛(wèi)四卡利斯托，尋找有機(jī)分子存在的痕跡。美國(guó)宇航局則會(huì)重點(diǎn)探索木衛(wèi)二歐羅巴。

兩者的任務(wù)都與科學(xué)家關(guān)心的“木星生命”假設(shè)息息相關(guān)。

木衛(wèi)二因科幻作品而廣為人知，它雖然比月球還小，但在15～25公里厚的冰層下可能存在深達(dá)150公里的巨大海洋，水資源含量有望大幅超過(guò)地球。而木衛(wèi)二表面奇特的紅棕色裂縫和斑點(diǎn)圖案被認(rèn)為很可能是硫化物和礦物鹽。此前，伽利略號(hào)、朱諾號(hào)探測(cè)器都證實(shí)了木衛(wèi)二內(nèi)部存在地質(zhì)活動(dòng)，不斷加熱海洋和冰層。

木星冰月探測(cè)器示意圖（圖源：歐空局）

這些發(fā)現(xiàn)意味著什么呢？眾所周知，孕育地球生命需三大前提：液態(tài)水、可形成有機(jī)物的元素、能量。這些條件在木星的冰月上都可能滿(mǎn)足，那就不排除能孕育出適應(yīng)極端環(huán)境的微生物。

那么歐空局為何決定主要探測(cè)木衛(wèi)三呢？一方面，木衛(wèi)三的水資源含量很可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)木衛(wèi)二。另一方面，木衛(wèi)三確實(shí)非常特殊。

木衛(wèi)三既是太陽(yáng)系中最大的衛(wèi)星，也是已知的唯一擁有磁圈的衛(wèi)星，存在稀薄的含氧大氣層，疑似有電離層。它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜：也許存在含鐵的流動(dòng)內(nèi)核，激發(fā)磁場(chǎng)，還有大量冰層和海洋，覆蓋全球?？茖W(xué)家無(wú)論如何也不能抗拒這種神秘誘惑。

因此，木星冰月探測(cè)任務(wù)提出了新需求，促進(jìn)了研發(fā)工作，核心科研載荷都圍繞著木衛(wèi)三設(shè)計(jì)：穿透雷達(dá)可穿越數(shù)公里厚的冰層，探索冰層結(jié)構(gòu)和水的痕跡；激光高度計(jì)可探測(cè)潮汐形變和地貌，揭示木衛(wèi)三內(nèi)部活動(dòng)；多種儀器將詳細(xì)研究木衛(wèi)三的重力場(chǎng)、磁場(chǎng)和電離層，系統(tǒng)性建立“檔案”。

不過(guò)，對(duì)于遙遠(yuǎn)的行星探測(cè)任務(wù)來(lái)說(shuō)，能源供應(yīng)是大問(wèn)題。在木星附近，太陽(yáng)的能量密度驟降到地球附近的約4%。木星冰月探測(cè)器傳承“前輩”的寶貴經(jīng)驗(yàn)，將挑戰(zhàn)利用微弱的太陽(yáng)能維持科學(xué)儀器工作，有機(jī)會(huì)成為利用太陽(yáng)能工作距離最遠(yuǎn)的航天器。

探訪(fǎng)木星系還要面對(duì)一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，那就是距離。地球與木星的距離最近時(shí)也有近6億公里。受限于火箭性能，木星冰月探測(cè)器必須反復(fù)依靠金星和地球的引力助推，耗時(shí)長(zhǎng)達(dá)7年，預(yù)計(jì)2030年左右抵達(dá)木星附近，那么真正執(zhí)行研究任務(wù)的時(shí)間僅有3年。“歐羅巴快船”原計(jì)劃由SLS重型火箭發(fā)射，不借助引力助推，1～2年內(nèi)抵達(dá)木星軌道。不過(guò)，由于成本和排期問(wèn)題，“歐羅巴快船”改用獵鷹重型火箭和行星助推結(jié)合的方案。

不難看出，對(duì)于更遙遠(yuǎn)的行星探測(cè)任務(wù)，火箭運(yùn)載能力仍是瓶頸。展望未來(lái)，人類(lèi)的好奇心與苛刻的任務(wù)要求都會(huì)刺激火箭運(yùn)載能力再度提升，助推人類(lèi)向星辰大海更進(jìn)一步。（作者：毛新愿）