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近日，歐空局的木星冰月探測器升空，將在多年后重點觀測木星及其3顆冰冷的衛(wèi)星。這次任務將借助新技術(shù)、新規(guī)劃，關(guān)注外星生命等多個重點目標，堪稱是滿足人類好奇心的又一個深空例證。未來，人類有望借此發(fā)展出更強大的航天運載工具和更出色的探測手段。

阿里安-5大型火箭發(fā)射木星冰月探測器（圖源：歐空局）

事實上，深空探測始終是重要的航天科研方向，尤其是探索太陽系內(nèi)最大的行星木星，它的質(zhì)量是太陽系中其他行星總和的兩倍多。木星是人類發(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，沒有固體表面。

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

20世紀70年代，美國多個探測器飛掠木星，初步揭開了木星的神秘“面紗”，尤其是近距離觀測木星大氣中的大紅斑。后來，不少深空探測器把木星作為漫長旅途的重要“中轉(zhuǎn)站”。

人類首次系統(tǒng)性研究木星，則是伽利略號探測器。雖然高增益天線出現(xiàn)故障，導致其與地球通信能力大幅下降，但伽利略號探測器還是在1995～2003年間實現(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、大氣等。它通過對磁性極點不斷移動觀測，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”，又進一步推動了木星冰月探測計劃。

探測木星衛(wèi)星的前提是對木星有充分了解。為此，美國的朱諾號探測器在2011年“先行一步”，2016年進入環(huán)繞木星軌道，全方位研究木星，重點是確定木星各種氣體的比例、質(zhì)量、引力場和磁場等細節(jié)。

木星冰月探測器和美國計劃在2024年發(fā)射的“歐羅巴快船”，都將研究木星的各個冰月。歐空局的重點目標是木衛(wèi)三甘尼米德，探測器還會反復飛掠木衛(wèi)二和木衛(wèi)四卡利斯托，尋找有機分子存在的痕跡。美國宇航局則會重點探索木衛(wèi)二歐羅巴。

兩者的任務都與科學家關(guān)心的“木星生命”假設息息相關(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150公里的巨大海洋，水資源含量有望大幅超過地球。而木衛(wèi)二表面奇特的紅棕色裂縫和斑點圖案被認為很可能是硫化物和礦物鹽。此前，伽利略號、朱諾號探測器都證實了木衛(wèi)二內(nèi)部存在地質(zhì)活動，不斷加熱海洋和冰層。

木星冰月探測器示意圖（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、可形成有機物的元素、能量。這些條件在木星的冰月上都可能滿足，那就不排除能孕育出適應極端環(huán)境的微生物。

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

木衛(wèi)三既是太陽系中最大的衛(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)相當復雜：也許存在含鐵的流動內(nèi)核，激發(fā)磁場，還有大量冰層和海洋，覆蓋全球?？茖W家無論如何也不能抗拒這種神秘誘惑。

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

不過，對于遙遠的行星探測任務來說，能源供應是大問題。在木星附近，太陽的能量密度驟降到地球附近的約4%。木星冰月探測器傳承“前輩”的寶貴經(jīng)驗，將挑戰(zhàn)利用微弱的太陽能維持科學儀器工作，有機會成為利用太陽能工作距離最遠的航天器。

探訪木星系還要面對一個巨大的挑戰(zhàn)，那就是距離。地球與木星的距離最近時也有近6億公里。受限于火箭性能，木星冰月探測器必須反復依靠金星和地球的引力助推，耗時長達7年，預計2030年左右抵達木星附近，那么真正執(zhí)行研究任務的時間僅有3年。“歐羅巴快船”原計劃由SLS重型火箭發(fā)射，不借助引力助推，1～2年內(nèi)抵達木星軌道。不過，由于成本和排期問題，“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，對于更遙遠的行星探測任務，火箭運載能力仍是瓶頸。展望未來，人類的好奇心與苛刻的任務要求都會刺激火箭運載能力再度提升，助推人類向星辰大海更進一步。（作者：毛新愿）

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