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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(jìn)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(zhì)，并確認(rèn)它們是否適宜生命存在，歐洲航天局（ESA）耗時(shí)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(zhì)、表面化學(xué)物質(zhì)、磁場、內(nèi)部結(jié)構(gòu)與重力場等多個(gè)方面的詳細(xì)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(jù)。

撰文 | 王善欽

2023年4月14日世界協(xié)調(diào)時(shí)12:14 分（北京時(shí)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(yùn)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(wù)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(dú)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(wù)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(zhì)。在這篇短文中，我們將介紹Juice的發(fā)展歷程、任務(wù)、儀器等話題。

Juice（左上方）探測木星系統(tǒng)的藝術(shù)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(dāng)時(shí)美國航空航天局（NASA）與ESA決定合作發(fā)展一個(gè)“外行星旗艦任務(wù)”（Outer Planet Flagship Mission）。2009年2月，“木衛(wèi)二木星系統(tǒng)任務(wù)-拉普拉斯”獲得優(yōu)先考慮，它將被用于接替結(jié)束任務(wù)的 “伽利略”，繼續(xù)探測木星的冰衛(wèi)星。

按照計(jì)劃，EJSM-拉普拉斯由NASA負(fù)責(zé)的“木衛(wèi)二軌道器”（Jupiter Europa Orbiter，JEO）與ESA負(fù)責(zé)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(dú)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(fù)責(zé)的JGO必須與其他重要項(xiàng)目競爭，從而獲得優(yōu)先發(fā)射權(quán)[注2]，因此NASA為自己負(fù)責(zé)的JEO準(zhǔn)備了單獨(dú)發(fā)展的應(yīng)急方案，因此顯得三心二意。更重要的是，兩個(gè)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(dú)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(biāo)。NASA的JEO則于2015年6月被“木衛(wèi)二快船”（Europa Clipper）項(xiàng)目取代。

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

2014年，ESA完成了對Juice的設(shè)計(jì)和目標(biāo)的詳細(xì)研究。2015年7月，空中客車防務(wù)與航天公司（Airbus Defence and Space）被選為設(shè)計(jì)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(zhuǎn)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(wù)

按照規(guī)劃，Juice的首要任務(wù)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(wù)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(zhì)。木衛(wèi)三平均半徑達(dá)到2634千米，是太陽系內(nèi)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(xué)家在20世紀(jì)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(yuǎn)鏡（“哈勃”）對木衛(wèi)三的觀測進(jìn)一步支持了木衛(wèi)三擁有地下海的猜測。據(jù)估計(jì)，木衛(wèi)三海水的總量可能達(dá)到地球海水總量的6-8倍，深度可達(dá)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(jù)極光的搖擺角度，天文學(xué)家推斷木衛(wèi)三具有地下海，后者產(chǎn)生的感應(yīng)磁場部分阻止了因木星磁場而產(chǎn)生的木衛(wèi)三極光搖擺效應(yīng)。圖片來源：NASA/ESA

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

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(chǎn)生的固有磁場（木衛(wèi)三是太陽系內(nèi)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(chǎn)生的感應(yīng)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?！百だ浴钡拇艔?qiáng)計(jì)的探測使天文學(xué)家推斷木衛(wèi)二擁有地下咸水海，后者產(chǎn)生了感應(yīng)磁場。據(jù)估計(jì)，木衛(wèi)二擁有的水量可能達(dá)到地球海水總量的3倍，平均深度可能達(dá)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(jìn)一步證實(shí)木衛(wèi)二確實(shí)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(jù)合成而來。這次羽流噴發(fā)高度達(dá)到160千米。羽流表明木衛(wèi)二下方可能有一個(gè)水構(gòu)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(zhì)特征、表面的化學(xué)物質(zhì)、非水冰物質(zhì)的化學(xué)成分，確定其地質(zhì)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(lán)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(jù)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(zhì)與不同區(qū)域的表面物質(zhì)的化學(xué)成分，研究木衛(wèi)四冰層的物理性質(zhì)。木衛(wèi)四自形成以來沒有發(fā)生地質(zhì)活動，其表面因?yàn)殡E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(nèi)天體的形成歷史有重要價(jià)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(nèi)部質(zhì)量分布、動力學(xué)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(yuǎn)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(wù)核心之一是確認(rèn)冰衛(wèi)星的咸水海的存在性并研究它們（如果有）的性質(zhì)。咸水海有利于嗜鹽微生物生存與進(jìn)化。因此Juice可能將實(shí)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(jù)，但確認(rèn)了地下海的存在并獲得它們更具體的性質(zhì)，那也是一個(gè)重要的進(jìn)步，因?yàn)橐簯B(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(shù)想象圖。水羽流帶出地下海內(nèi)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(gè)科學(xué)儀器，其中3個(gè)是光譜儀，2個(gè)是測繪與遙感儀器，2個(gè)是粒子探測器，剩余的3個(gè)儀器分別是相機(jī)、磁強(qiáng)計(jì)與雷達(dá)。

3個(gè)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(xué)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(fù)雜的表面的冰和礦物成分，并在它們的表面尋找有機(jī)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(shí)，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(shí)，MAJIS與UVS的分辨率分別為最高可分別達(dá)到75米與500米。[4]

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

2個(gè)測繪與遙感儀器分別是“木衛(wèi)三激光高度計(jì)”（Ganymede Laser Altimeter，GALA）與“木星和伽利略衛(wèi)星的引力和地質(zhì)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(dá)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(gòu)造、確定冰衛(wèi)星大氣與電離層結(jié)構(gòu)。[4]

2個(gè)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(jī)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(dá)2.4米。[4]

磁強(qiáng)計(jì)即“Juice磁強(qiáng)計(jì)”（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(dá)即“冰衛(wèi)星探測雷達(dá)”（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(dá)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(nèi)的冰層結(jié)構(gòu)，其垂直分辨率最高可達(dá)30米。[4]

RIME由NASA的噴氣推動實(shí)驗(yàn)室（JPL）與意大利航天局（ASI）合作研發(fā)，前者提供雷達(dá)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(gè)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(shí)驗(yàn)”（Planetary Radio Interferometer and Doppler Experiment，PRIDE）。

Juice的10個(gè)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(jìn)的技術(shù)，這10個(gè)儀器非常輕巧，總質(zhì)量只有104千克。[3]

Juice使用太陽能電池帆板產(chǎn)生電能，為儀器提供工作電源，它工作時(shí)的功率達(dá)到820瓦。在木星軌道附近，太陽的照射強(qiáng)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(gè)重要的部件是導(dǎo)航設(shè)備。它精確引導(dǎo)探測器沿著預(yù)定路線前進(jìn)。

運(yùn)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(shù)，借助行星的巨大引力來提升速度。按照計(jì)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(jīng)過這幾次飛掠，Juice將獲得足夠高的速度，前往木星。在前進(jìn)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(jìn)行近距離探測。

Juice軌道示意圖，圖下方的直線上的時(shí)間節(jié)點(diǎn)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(dá)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(jì)劃，經(jīng)過8年的巡航后，Juice將在2031年7月開始進(jìn)入木星系統(tǒng)，并通過機(jī)動與引力木星衛(wèi)星的彈弓效應(yīng)實(shí)現(xiàn)變軌，進(jìn)入環(huán)繞木星的軌道，經(jīng)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(jìn)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(gè)圍繞月亮之外的天然衛(wèi)星公轉(zhuǎn)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(shí)，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(jìn)入木星系統(tǒng)到低空環(huán)繞木衛(wèi)三，Juice在整個(gè)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(jìn)行近距離探測。加上進(jìn)入木星之前為了實(shí)現(xiàn)引力彈弓而進(jìn)行的幾次飛掠，Juice要進(jìn)行約40次機(jī)動，以完成這些飛掠操作。這些機(jī)動將耗費(fèi)大量推進(jìn)劑，因此Juice攜帶的推進(jìn)劑的質(zhì)量約為3000千克。[6]

在500千米的軌道上，Juice將繞木衛(wèi)三公轉(zhuǎn)大約1年（至少9個(gè)月）。[7]如果到時(shí)還有剩余的推進(jìn)劑，它將繼續(xù)變軌，使環(huán)繞高度降低到200千米。推進(jìn)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(xué)家提出的木衛(wèi)三的結(jié)構(gòu)模型。根據(jù)理論推斷，木衛(wèi)三從內(nèi)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?yàn)閴簭?qiáng)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(jìn)展順利，Juice將大大提升人類對木衛(wèi)三的各方面性質(zhì)的理解，提升人類對木衛(wèi)二、木衛(wèi)四與木星的一些性質(zhì)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(jù)。

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(dá)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?yàn)槟拘窃谀拘l(wèi)二軌道處的磁場太強(qiáng)烈）詳細(xì)觀測木衛(wèi)二，并與稍后到達(dá)的Juice互相配合，互相提供經(jīng)驗(yàn)，并比較數(shù)據(jù)。

此外，我國正在籌劃的“天問四號”項(xiàng)目也以木星及其冰衛(wèi)星作為主要探測目標(biāo)。如果它通過立項(xiàng)，將有可能在2029年升空，其主探測器將于2035年到達(dá)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(xì)節(jié)信息。

如果Juice、木衛(wèi)二快船與天問四號都能成功實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，那人類對木星冰衛(wèi)星的各種性質(zhì)的認(rèn)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(jié)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(shí)期著名天文學(xué)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(cè)，是謂同盟”）。不過，文獻(xiàn)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(fèi)解的，因?yàn)檫@么暗的星無法被分辨出顏色。因此，這個(gè)疑似的發(fā)現(xiàn)尚未獲得公認(rèn)。

[注2]這對于行星探測器極為重要，因?yàn)檫@類探測器有一定的時(shí)間窗，錯(cuò)過后就要等很多年。

[注3]“宇宙幻境2015–2025計(jì)劃”是ESA的一個(gè)龐大的空間項(xiàng)目群項(xiàng)目，其中的探測器被分為?。⊿）、中等（M）與大（L）三個(gè)等級。L級僅有3個(gè)項(xiàng)目，Juice是其中的第一個(gè)（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(xiàn)

[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(jì)劃項(xiàng)目扶持

出品：中國科協(xié)科普部

監(jiān)制：中國科學(xué)技術(shù)出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

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