揭开冰下海洋的秘密：木卫二快船的探索之旅

作者|冯梓洋

审核|黄坚

编辑|赵经远

木卫二快船艺术图（图片来源于NASA）

北京时间2024年10月15日凌晨00时06分，美国国家航天局（NASA）研发的木卫二快船（Europa Clipper，又译欧罗巴快船）在肯尼迪航天中心通过重型猎鹰火箭成功发射，标志着木卫二快船行星际任务的开始。该任务旨在将木卫二快船探测器发射至木星附近预定的轨道，并对木星的卫星木卫二进行约50次飞掠探测，对这颗木星卫星的地质状况和宜居性进行探测考察，预计在2030年抵达木星轨道。木卫二快船搭载着9台主要的科学仪器，不仅仅是NASA有史以来最大的行星探测器，也是NASA迄今为止投入最大的行星探测任务，整个任务耗资预计将达到约52亿美元。那么，这颗卫星究竟有什么价值？能够吸引人们进行如此巨大的投入？这就得从木卫二的环境说起。

木卫二快船成功发射（图片来源于SpaceX）

木卫二是由意大利天文学家伽利略·伽利莱（Galileo Galilei）和德国天文学家西门·马利乌斯（Simon Marius）于1610年1月分别发现的，在目前已知的95颗木星卫星中，它与木星的距离是第6近的，而在4颗伽利略卫星[木卫一（Io）﹑木卫二（Europa）﹑木卫三（Ganymede）﹑木卫四（Callisto）]中，木卫二的质量和直径都是最小的，它的直径只有3121.6千米，比月球略小。由于木卫二到太阳的距离是日地距离的5倍，因此它接收到的太阳辐射只有地球的1/25。

四颗伽利略卫星（图片来源于NASA）

在此之前，先驱者10号、先驱者11号、旅行者1号﹑旅行者2号、伽利略号和朱诺号等探测器都已经对这颗卫星进行了大致地考察，这些探测表明，木卫二含有丰富的有机元素，如碳﹑氢﹑氧﹑氮等，其表面主要由水冰和岩石构成，在这些冰层之下可能存在一个由液态水组成的巨大海洋，可以重塑木卫二的表面。有证据表明这片冰下海洋已经存在了45亿年，其中含有生命必需的元素，因此可能是孕育生命的场所。在木卫二的海洋之下也可能存在和地球一样的岩浆运动，在潮汐加热的作用下，木卫二的深层液态水时不时会像火山喷发一样从表面喷射出来，形成强烈的热液活动，这些运动深刻地影响了木卫二的表面乃至内部结构，而这种温暖的环境可能适合微生物生存。

木卫二的冰下海洋（艺术图）（图片来源于NASA）

木卫二的表面有无数条黑色﹑红棕色的裂缝，这可能是冰层在做类似地球板块运动所形成的独特地貌特征，其中可能含有盐和含硫化合物。表面上的一些双脊构造，则与喷射液态水有关。

神秘的冰冻卫星木卫二（图片来源于NASA）

木卫二快船的探测任务有三大科学目标：首先是探测木卫二冰壳的厚度，确认表面冰层与冰下海洋的相互作用过程；其次是研究水冰结构中主要化合物的化学性质，以及它们与冰下海洋所含化学成分之间的联系；此外，还要对这颗卫星的地质特征进行考察。通过这些探测，科学家能更好地了解木卫二的内部结构与环境，进而确认其地下海洋是否具备孕育生命的条件。

木卫二快船的飞行路线（图片来源于NASA）

为了这些目标，木卫二快船启程了。然而在前往木卫二的路途中仍存在巨大的风险与挑战。2025年2月底/3月初，它将到达距离火星表面500至1000公里的位置，借助火星的引力来帮助它加速前进；2026年12月，木卫二快船将回到地球附近，在距离地面约3200公里处飞掠地球，并借助地球的引力进一步加速，使探测器有足够的能量飞到距离地球约5亿公里的木星。2030年4月，木卫二快船将进行6个小时的制动减速，以进入环绕木星的轨道。在此之后，木卫二快船将多次变轨，以到达预定轨道。预计在2031年春季，木卫二快船将会第一次飞掠木卫二，并在3年多的时间内多次飞掠这颗迷人的卫星。它飞掠木卫二时与其表面的最近距离只有25公里，以便对其进行详细的科学考察，收集其稀薄大气、表面、冰壳和冰下海洋的数据。在2034年9月任务完成时，木卫二快船将坠毁在木星的另一颗卫星——木卫三的表面，结束自己的使命。

木卫二快船的轨道（图片来源于NASA）

为了保证木卫二快船能在极端环境下正常执行任务，NASA在使用了无数的“黑科技”。其中最吸引人的莫过于它那对长长的太阳能帆板，在其展开之后，长度能够达到30.5米，是NASA目前开发的最大的太阳能帆板，它会在木星轨道极低的温度下为木卫二快船提供大量电能。航天器平台由一个铝制圆柱形推进模块和一个长5米的矩形盒子组合而成，盒子里有一个 150 公斤的钛、锌和铝屏蔽室，可保护电子元件免受来自木星的辐射。

木卫二快船比标准篮球场还要长一点（图片来源于NASA）

木卫二快船搭载了9台高精度的科学仪器，其中包括用于探测地质活跃区域的木卫二热辐射成像系统（E-THEMIS）﹑分析采集样品化学成分的木卫二测绘成像光谱仪 (MISE)﹑进行地质测绘的木卫二成像系统 (EIS)﹑检测喷发羽流的木卫二紫外光谱仪﹑用于探测海洋和近表面结构的木卫二评估与探测雷达 (REASON)﹑用于测量木卫二磁场的木卫二快船磁强计 (ECM)﹑测量木星磁层和木卫二电离层的等离子体磁测深仪 (PIMS)﹑测定复杂混合物中各种化合物的行星探测质谱仪（MASPEX）和表面尘埃质量分析仪 (SUDA)等等，这些科学设备将在木卫二快船的科学考察过程中发挥关键作用。

木卫二快船的结构示意图（图片来源于Wikipedia）

木卫二快船探测任务是NASA历史上投入最大的行星探测任务之一，它也将成为人类行星探索之路和地外生命探索历程中重要的里程碑。通过这次考察，科学家们有望揭开木卫二冰下海洋的秘密，探寻生命宜居的可能性。我们期待着木卫二快船传回的宝贵数据，为我们揭示更多关于宇宙和生命的奥秘。

参考资料

1、李春辉，第十三章：木星和土星的行星环和卫星，《行星科学导论》，广西师范大学出版社

2、Europa Facts，NASA，https://science.nasa.gov/jupiter/moons/europa/europa-facts/#h-structure

3、EuropaClipperMission, NASA, https://europa.nasa.gov/mission/about/

4、Mission Timeline, NASA, https://europa.nasa.gov/mission/timeline/

5、Europa(moon), Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Europa_(moon)

6、Europa Clipper, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Europa_Clipper

7、Europa Clipper Cost Chart，The Planetary Society，https://www.planetary.org/charts/europa-clipper-cost-chart

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