木星是太陽系最大的行星。理論研究與觀測都表明木衛(wèi)二、木衛(wèi)三與木衛(wèi)四可能具有地下咸水海洋。咸水海洋有利于嗜鹽微生物生存與進化。因此這些衛(wèi)星可能存在地球之外的生物。為了獲得這些衛(wèi)星各方面的重要性質，并確認它們是否適宜生命存在，歐洲航天局（ESA）耗時多年，終于成功發(fā)射了“木星冰衛(wèi)星探測者”（Juice）。Juice將得到這些冰衛(wèi)星的地下海、地形、地質、表面化學物質、磁場、內部結構與重力場等多個方面的詳細信息，幫助人類全面而深入地了解這些冰冷星球，甚至為人類找到地外生物存在的證據。

(資料圖片)

撰文 | 王善欽

2023年4月14日世界協(xié)調時12:14 分（北京時間20:14），歐洲空間局（ESA）的“木星冰衛(wèi)星探測者”（Jupiter Icy Moons Explorer，Juice或JUICE）在法屬圭亞那空間中心搭乘阿麗亞娜5號（Ariane 5）重型運載火箭升空?！疽曨l請前往“返樸”觀看】

阿麗亞娜5號火箭帶著Juice升空圖。圖片來源：ESA/CNES/Arianespace/Optique Vidéo du CSG/JM Guillon

Juice耗資16億歐元，其任務是探測木星系統(tǒng)，特別是木星的3顆最大的冰衛(wèi)星：木衛(wèi)二（Europa）、木衛(wèi)三（Ganymede）與木衛(wèi)四（Callisto）。它們與木衛(wèi)一（Io）一起于400多年前被伽利略（Galileo Galilei，1564-1642）與馬里烏斯（Simon Marius，1573 -1625）分別獨立發(fā)現(xiàn)，并被后人命名為 “伽利略衛(wèi)星”。[注1]

木星與它的4顆“伽利略衛(wèi)星”的拼圖。上方從左到右分別是木衛(wèi)一、木衛(wèi)二、木衛(wèi)三與木衛(wèi)四；下方為木星的一部分。木星、木衛(wèi)一、木衛(wèi)二與木衛(wèi)三由伽利略（Galileo）號探測器拍攝，木衛(wèi)四由旅行者號（Voyager）探測器拍攝。圖片來源：NASA/JPL/DLR

Juice的首要任務是探測木衛(wèi)三，其次是探測木衛(wèi)二、木衛(wèi)四與木星，順帶探測木衛(wèi)一。通過上面攜帶的各種儀器，Juice將深入探測這些天體的各方面性質。在這篇短文中，我們將介紹Juice的發(fā)展歷程、任務、儀器等話題。

Juice（左上方）探測木星系統(tǒng)的藝術想象圖。右下方為木衛(wèi)三，中心為木星；剩余的從左到右分別是木衛(wèi)一、木衛(wèi)二、與木衛(wèi)四。圖片來源：ESA / NASA / DLR

發(fā)展歷程

Juice的源頭可追溯到2008年2月，當時美國航空航天局（NASA）與ESA決定合作發(fā)展一個“外行星旗艦任務”（Outer Planet Flagship Mission）。2009年2月，“木衛(wèi)二木星系統(tǒng)任務-拉普拉斯”獲得優(yōu)先考慮，它將被用于接替結束任務的 “伽利略”，繼續(xù)探測木星的冰衛(wèi)星。

按照計劃，EJSM-拉普拉斯由NASA負責的“木衛(wèi)二軌道器”（Jupiter Europa Orbiter，JEO）與ESA負責的“木星木衛(wèi)三軌道器”（Jupiter Ganymede Orbiter，JGO）組成，二者將在2020年左右被各自獨立發(fā)射，并在數(shù)年的巡航之后，分別環(huán)繞并深入研究木衛(wèi)二與木衛(wèi)三。

然而，ESA負責的JGO必須與其他重要項目競爭，從而獲得優(yōu)先發(fā)射權[注2]，因此NASA為自己負責的JEO準備了單獨發(fā)展的應急方案，因此顯得三心二意。更重要的是，兩個探測器并無多大的互相依賴性，雙方的合作于2011年4月破裂，開始各自獨立發(fā)展自己的探測器。ESA將JGO改為“木星冰衛(wèi)星探測者”，但依舊以探測木衛(wèi)三為首要目標。NASA的JEO則于2015年6月被“木衛(wèi)二快船”（Europa Clipper）項目取代。

2012年4月，Juice在與另外兩個項目的競爭中勝出，此后被ESA確定為“宇宙幻境2015–2025計劃”（Cosmic Vision 2015–2025 Programme）的第一個大級別（L級）項目。[注3]

2014年，ESA完成了對Juice的設計和目標的詳細研究。2015年7月，空中客車防務與航天公司（Airbus Defence and Space）被選為設計和建造Juice的主制造商，并在此后在歐洲各地制造Juice的各種硬件與儀器。過去幾年，Juice的部件和儀器通過了各種測試，然后被組裝后轉移到發(fā)射場。

阿麗亞娜5號火箭的logo。2年前，ESA向全世界的孩子征集Juice的logo，10歲的Yaryna的作品成功入選，并被畫在了火箭的上端。圖片來源：Manuel Pédoussaut/ESA

Juice的任務

按照規(guī)劃，Juice的首要任務是研究木衛(wèi)三的各種特征，其次是研究木衛(wèi)二、木衛(wèi)四與木星，再次則是研究木衛(wèi)一以及木星的其他衛(wèi)星。我們可將其任務分類如下。[1]

1、確定木衛(wèi)三的地下海是否存在；如果存在，則間接研究其性質。木衛(wèi)三平均半徑達到2634千米，是太陽系內最大的衛(wèi)星，其半徑比水星的平均半徑（2440千米）更大。天文學家在20世紀70年代就猜測木衛(wèi)三有地下海洋?！百だ浴迸c哈勃空間望遠鏡（“哈勃”）對木衛(wèi)三的觀測進一步支持了木衛(wèi)三擁有地下海的猜測。據估計，木衛(wèi)三海水的總量可能達到地球海水總量的6-8倍，深度可達100千米，埋在150千米的冰殼下方。[2, 3]

“哈勃”觀測到的木衛(wèi)三的極光的紫外線偽色圖像與“伽利略”拍攝到的木衛(wèi)三的圖像的疊加。根據極光的搖擺角度，天文學家推斷木衛(wèi)三具有地下海，后者產生的感應磁場部分阻止了因木星磁場而產生的木衛(wèi)三極光搖擺效應。圖片來源：NASA/ESA

2、研究木衛(wèi)三表面地形、地質、表面物質的化學成分、冰層的物理性質與稀薄大氣的性質。

3、木衛(wèi)三的磁場及其與木星磁場的相互作用。木衛(wèi)三的鐵-鎳核心產生的固有磁場（木衛(wèi)三是太陽系內唯一擁有固有磁場的衛(wèi)星），與其可能存在的地下咸水海產生的感應磁場都將是Juice研究的重要對象。

4、探測木衛(wèi)二的地下海，并確定它們的特征。“伽利略”的磁強計的探測使天文學家推斷木衛(wèi)二擁有地下咸水海，后者產生了感應磁場。據估計，木衛(wèi)二擁有的水量可能達到地球海水總量的3倍，平均深度可能達到100千米?！肮庇^測到的木衛(wèi)二部分區(qū)域噴發(fā)出的水羽流進一步證實木衛(wèi)二確實可能擁有地下海。“哈勃”于2014年1月26日拍下的木衛(wèi)二噴發(fā)出的水羽流的合成圖。木衛(wèi)二的圖由“伽利略”及旅行者號探測器得到的數(shù)據合成而來。這次羽流噴發(fā)高度達到160千米。羽流表明木衛(wèi)二下方可能有一個水構成的海洋。圖片來源NASA, ESA, W. Sparks (STScI), and the USGS Astrogeology Science Center

5、研究木衛(wèi)二的地形特征、地質特征、表面的化學物質、非水冰物質的化學成分，確定其地質活動最活躍的部分的冰層的最小厚度。木衛(wèi)二表面的科納馬拉亂地（Conamara Chaos，左）及其在木衛(wèi)二（右）上面的位置。一些過程破壞了先前存在的橫切嶺。藍色代表水冰，紅棕色區(qū)域代表非水冰。這些圖像由“伽利略”在1996-1997年獲得的數(shù)據合成而來。圖片來源：NASA/JPL

6、確定木衛(wèi)四是否真的有地下海，繪制木衛(wèi)四表面的地形、地質與不同區(qū)域的表面物質的化學成分，研究木衛(wèi)四冰層的物理性質。木衛(wèi)四自形成以來沒有發(fā)生地質活動，其表面因為隕石撞擊而留下的隕石坑都被保留著。研究木衛(wèi)四的具體的地形，對于理解太陽系內天體的形成歷史有重要價值。“伽利略”于2001年拍攝的木衛(wèi)四。圖片來源：NASA/JPL/DLR

7、研究冰衛(wèi)星內部質量分布、動力學與演化的特征，測量冰衛(wèi)星各處的重力場。

8、測量木星磁層，研究木星磁場與冰衛(wèi)星磁場的相互作用，研究木星磁場加速過的帶電粒子對冰衛(wèi)星表面的影響。

9、在相對遠距離觀測木衛(wèi)一與木星的一些形狀不規(guī)則衛(wèi)星。

Juice的任務核心之一是確認冰衛(wèi)星的咸水海的存在性并研究它們（如果有）的性質。咸水海有利于嗜鹽微生物生存與進化。因此Juice可能將實現(xiàn)人類地外探索生命方面零的突破。

如果Juice無法找到生命存在的證據，但確認了地下海的存在并獲得它們更具體的性質，那也是一個重要的進步，因為液態(tài)水給出了天體的演化過程的重要線索之一。木衛(wèi)二冰層下方的水沿著冰層的縫隙噴發(fā)出去，形成水羽流（plume）的藝術想象圖。水羽流帶出地下海內部的分子（molecules），來自太空的帶電粒子輻射（charged particle radiation）轟擊并分解了一部分分子。海床爆發(fā)的火山（見圖左）為海水提供熱量。圖片來源：NASA/JPL-Caltech

Juice的儀器

Juice上面共有10個科學儀器，其中3個是光譜儀，2個是測繪與遙感儀器，2個是粒子探測器，剩余的3個儀器分別是相機、磁強計與雷達。

3個光譜儀分別是“紫外成像光譜儀”（UV Imaging Spectrograph，UVS）、“衛(wèi)星和木星成像光譜儀”（Moons and Jupiter Imaging Spectrometer，MAJIS）、與“亞毫米波儀器”（Sub-millimeter Wave Instrument，SWI），觀測/工作波長分別為55-210納米（紫外）、0.4-5.7微米（光學與紅外）與約0.3毫米/約0.6毫米。

UVS研究冰衛(wèi)星的大氣散逸層、木星的上層大氣、木星與其冰衛(wèi)星的極光、搜尋木衛(wèi)二表面噴發(fā)出的水羽流等。MAJIS觀測木星大氣對流層中的云特征和微量氣體，識別并研究木星冰衛(wèi)星復雜的表面的冰和礦物成分，并在它們的表面尋找有機分子，確定它們是否適宜生命存在。[4]SWI研究木星的平流層和對流層，以及冰衛(wèi)星的大氣散逸層和表面。在觀測木星時，MAJIS與UVS的分辨率分別為100千米與250千米；在觀測木衛(wèi)三時，MAJIS與UVS的分辨率分別為最高可分別達到75米與500米。[4]

木衛(wèi)二表面噴發(fā)出的水羽流的藝術想象圖。圖片來源：Ron Miller

2個測繪與遙感儀器分別是“木衛(wèi)三激光高度計”（Ganymede Laser Altimeter，GALA）與“木星和伽利略衛(wèi)星的引力和地質物理”（Gravity and Geophysics of Jupiter and Galilean Moons，3GM）。前者的主要功能是通過激光測距測繪三維地形，其垂直分辨率達到10厘米；后者的主要功能是測量各處重力場、確定冰衛(wèi)星地下海洋的構造、確定冰衛(wèi)星大氣與電離層結構。[4]

2個粒子探測器分別是“粒子環(huán)境包”（Particle Environment Package，PEP）與“射電和等離子體波研究”（Radio and Plasma Wave Investigation，RPWI）。它們被用于直接探測中性粒子、帶電粒子以及它們發(fā)射出的射電波。

相機即“對朱庇特、他的愛情事件和后代的全面觀測”（Jovis, the Amorum ac Natorum Undique Scrutator，JANUS）[注4]。它的觀測波長范圍為0.36-1.1微米，具有三維成像功能，主要拍攝木衛(wèi)三和木衛(wèi)四表面，分辨率最高可達2.4米。[4]

磁強計即“Juice磁強計”（Juice -Magnetometer，J-MAG）。它可以探測冰衛(wèi)星的磁場，從而確定或否定木衛(wèi)三與木衛(wèi)四具有地下海洋的推斷。此外，它還可以探測木衛(wèi)二及木衛(wèi)三磁場與木星磁場的相互作用。

雷達即“冰衛(wèi)星探測雷達”（Radar for Icy Moons Exploration，RIME）。它的16米長的天線發(fā)射出波長約為33米的雷達波，可以穿透冰表面下方9千米深處，然后反射回去再被天線接收。通過穿透與反射，可以獲得冰衛(wèi)星表面下方9千米內的冰層結構，其垂直分辨率最高可達30米。[4]RIME由NASA的噴氣推動實驗室（JPL）與意大利航天局（ASI）合作研發(fā)，前者提供雷達的發(fā)射器、接受器與電子元件。圖片來源：NASA/JPL-Caltech

除了以上10個儀器之外，Juice的天線還可以將特定信號傳輸出去，地球上的甚長基線干涉測量儀（Very Long Baseline Interferometry，VLBI）接收這些信號，精確測量木星及其冰衛(wèi)星的重力場，這就是“行星無線電干涉儀和多普勒實驗”（Planetary Radio Interferometer and Doppler Experiment，PRIDE）。Juice的10個儀器的位置分布圖，黑色方塊為電池帆板。圖片來源：ESA

由于采用了先進的技術，這10個儀器非常輕巧，總質量只有104千克。[3]

Juice使用太陽能電池帆板產生電能，為儀器提供工作電源，它工作時的功率達到820瓦。在木星軌道附近，太陽的照射強度僅為地球附近的約4%，為了獲得充足電源，不僅要求電池性能非常好，還要求電池帆板面積非常大——它的面積約為85平方米。[5]

除了儀器與電池之外，另一個重要的部件是導航設備。它精確引導探測器沿著預定路線前進。

運行路徑

為了節(jié)省火箭燃料并提高速度，Juice將使用此前被廣泛使用的引力彈弓（引力助推）技術，借助行星的巨大引力來提升速度。按照計劃，它將在2024年8月飛掠地球-月球系統(tǒng)，在2025年8月31日飛掠金星，在2026年9月29日與2029年1月18日第1次與第2次飛掠地球。[4]

經過這幾次飛掠，Juice將獲得足夠高的速度，前往木星。在前進途中，它可能于2029年10月15日順路飛掠小行星223 Rosa，[4]對其進行近距離探測。

Juice軌道示意圖，圖下方的直線上的時間節(jié)點從左到右依次是：發(fā)射、飛掠地月系統(tǒng)、飛掠金星、第1次飛掠地球、第2次飛掠地球、到達木星、探測木星系統(tǒng)并完成35次飛掠、環(huán)繞木衛(wèi)三。圖片來源：ESA

按照計劃，經過8年的巡航后，Juice將在2031年7月開始進入木星系統(tǒng)，并通過機動與引力木星衛(wèi)星的彈弓效應實現(xiàn)變軌，進入環(huán)繞木星的軌道，經過約3.5年環(huán)繞探測后，它將于2034年12月脫離木星軌道，前往木衛(wèi)三。

在完成這些飛掠之后，Juice開始進入環(huán)繞木衛(wèi)三的軌道，從而成為木衛(wèi)三軌道器。這也將使它成為第一個圍繞月亮之外的天然衛(wèi)星公轉的探測器。

朱諾（Juno）號木星探測器于2021年6月7日拍攝的木衛(wèi)三圖像。圖片來源：NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS

在剛環(huán)繞木衛(wèi)三時，Juice的軌道平均半徑很大（5000千米），此后多次變軌之后，其軌道將成為圓形，且距離木衛(wèi)三表面的高度將只有500千米。

從進入木星系統(tǒng)到低空環(huán)繞木衛(wèi)三，Juice在整個過程中飛掠木衛(wèi)二、木衛(wèi)三、木衛(wèi)四共35次，[5]對這3顆冰衛(wèi)星進行近距離探測。加上進入木星之前為了實現(xiàn)引力彈弓而進行的幾次飛掠，Juice要進行約40次機動，以完成這些飛掠操作。這些機動將耗費大量推進劑，因此Juice攜帶的推進劑的質量約為3000千克。[6]

在500千米的軌道上，Juice將繞木衛(wèi)三公轉大約1年（至少9個月）。[7]如果到時還有剩余的推進劑，它將繼續(xù)變軌，使環(huán)繞高度降低到200千米。推進劑耗盡之后，Juice將在2035年底撞擊木衛(wèi)三。這些近距離環(huán)繞以及最后撞擊之前的接近過程，都將使Juice能以前所未有的分辨率觀測木衛(wèi)三。

天文學家提出的木衛(wèi)三的結構模型。根據理論推斷，木衛(wèi)三從內到外依次是富含鐵的固態(tài)核心、富含鐵與硫化物的液態(tài)核心、巖石幔、深層冰（因為壓強過大而成為VI型正方冰——tetragonal ice）、液態(tài)海洋與外層冰（普通的Ih型六角冰——hexagonal ice）。木衛(wèi)四表面分布著隕石坑（crater）、溝槽（grooves）、亮地（light terrain）與暗地（dark terrain）。圖片來源：Kelvinsong

探測木星冰衛(wèi)星的組合拳

如果進展順利，Juice將大大提升人類對木衛(wèi)三的各方面性質的理解，提升人類對木衛(wèi)二、木衛(wèi)四與木星的一些性質的理解。在最樂觀的情況下，它甚至有可能獲得木星冰衛(wèi)星存在生命的證據。

將于2024年升空的木衛(wèi)二快船會在2030年（比Juice更早1年）到達木星系統(tǒng)，它將通過多次近距離飛掠的模式（沒有環(huán)繞模式，因為木星在木衛(wèi)二軌道處的磁場太強烈）詳細觀測木衛(wèi)二，并與稍后到達的Juice互相配合，互相提供經驗，并比較數(shù)據。

此外，我國正在籌劃的“天問四號”項目也以木星及其冰衛(wèi)星作為主要探測目標。如果它通過立項，將有可能在2029年升空，其主探測器將于2035年到達木星，并成為環(huán)繞木衛(wèi)四的軌道器，獲取木衛(wèi)四的各種細節(jié)信息。

如果Juice、木衛(wèi)二快船與天問四號都能成功實現(xiàn)目標，那人類對木星冰衛(wèi)星的各種性質的認識將得到全面的提升。

我們祝福它們都大獲成功。

注釋

[注1]伽利略衛(wèi)星是木星的最大的4顆衛(wèi)星。由于伽利略比馬里烏斯更早公布自己對木星4顆衛(wèi)星的觀測結果而使它們被稱為“伽利略衛(wèi)星”。席澤宗院士于1981年的論文中指出，中國戰(zhàn)國時期著名天文學家甘德可能在2000多年前就觀測到木衛(wèi)三（“歲星在子，……若有小赤星附于其側，是謂同盟”）。不過，文獻中描述甘德發(fā)現(xiàn)的這顆星為紅色星（“小赤星”），這是令人費解的，因為這么暗的星無法被分辨出顏色。因此，這個疑似的發(fā)現(xiàn)尚未獲得公認。

[注2]這對于行星探測器極為重要，因為這類探測器有一定的時間窗，錯過后就要等很多年。

[注3]“宇宙幻境2015–2025計劃”是ESA的一個龐大的空間項目群項目，其中的探測器被分為?。⊿）、中等（M）與大（L）三個等級。L級僅有3個項目，Juice是其中的第一個（L1）。

[注4]木星英文名Jupiter=古羅馬神話中的神朱庇特=古希臘神話中的宙斯，馬里烏斯以古希臘神話中宙斯的情人伊奧（Io），歐羅巴（Europa），伽尼米德（Ganymede）與卡利斯托（Callisto）來分別命名木星衛(wèi)星。

參考文獻

[1]https://sci.esa.int/web/juice/-/50068-science-objectives

[2]https://www.nasa.gov/press/2015/march/nasa-s-hubble-observations-suggest-underground-ocean-on-jupiters-largest-moon

[3]https://www.planetary.org/space-missions/juice

[4]https://en.wikipedia.org/wiki/Jupiter_Icy_Moons_Explorer

[5]https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Juice

[6]https://sci.esa.int/web/juice/-/61498-juice-inner-structure

[7]https://www.nature.com/articles/d41586-023-01256-x

本文受科普中國·星空計劃項目扶持

出品：中國科協(xié)科普部

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