花费 17 亿美元，跨越几亿千米，只为了倾听那里的海
花费 17 亿美元，跨越几亿千米，只为了倾听那里的海木星是太阳系最大的行星。理论研究与观测都表明木卫二、木卫三与木卫四可能具有地下咸水海洋。咸水海洋有利于嗜盐微生物生存与进化。因此这些卫星可能存在地球之外的生物。为了获得这些卫星各方面的重要性质，并确认它们是否适宜生命存在，欧洲航天局（ESA）耗时多年，终于成功发射了“木星冰卫星探测者”（Juice）。Juice 将得到这些冰卫星的地下海、地形、地质、表面化学物质、磁场、内部结构与重力场等多个方面的详细信息，帮助人类全面而深入地了解这些冰冷星球，甚至为人类找到地外生物存在的证据。
撰文 | 王善钦
2023 年 4 月 14 日世界协调时 12:14 分（北京时间 20:14），欧洲空间局（ESA）的“木星冰卫星探测者”（Jupiter Icy Moons Explorer，Juice 或 JUICE ）在法属圭亚那空间中心搭乘阿丽亚娜 5 号（Ariane 5）重型运载火箭升空。
阿丽亚娜 5 号火箭带着 Juice 升空图。图片来源：ESA/CNES/Arianespace/Optique Vidéo du CSG/JM Guillon
Juice 耗资 16 亿欧元，其任务是探测木星系统，特别是木星的 3 颗最大的冰卫星：木卫二（Europa）、木卫三（Ganymede）与木卫四（Callisto）。它们与木卫一（Io）一起于 400 多年前被伽利略（Galileo Galilei，1564-1642）与马里乌斯（Simon Marius，1573 -1625）分别独立发现，并被后人命名为 “伽利略卫星”。[注1]
木星与它的 4 颗“伽利略卫星”的拼图。上方右侧从上到下分别是木卫一、木卫二、木卫三与木卫四；左侧为木星的一部分。木星、木卫一、木卫二与木卫三由伽利略（Galileo）号探测器拍摄，木卫四由旅行者号（Voyager）探测器拍摄。图片来源：NASA/JPL/DLR
Juice 的首要任务是探测木卫三，其次是探测木卫二、木卫四与木星，顺带探测木卫一。通过上面携带的各种仪器，Juice 将深入探测这些天体的各方面性质。在这篇短文中，我们将介绍 Juice 的发展历程、任务、仪器等话题。
Juice（左上方）探测木星系统的艺术想象图。右下方为木卫三，中心为木星；剩余的从左到右分别是木卫一、木卫二、与木卫四。图片来源：ESA / NASA / DLR
发展历程
Juice 的源头可追溯到 2008 年 2 月，当时美国航空航天局（NASA）与 ESA 决定合作发展一个“外行星旗舰任务”（Outer Planet Flagship Mission）。2009 年 2 月，“木卫二木星系统任务-拉普拉斯”获得优先考虑，它将被用于接替结束任务的 “伽利略”，继续探测木星的冰卫星。
按照计划，EJSM-拉普拉斯由 NASA 负责的“木卫二轨道器”（Jupiter Europa Orbiter，JEO）与 ESA 负责的“木星木卫三轨道器”（Jupiter Ganymede Orbiter，JGO）组成，二者将在 2020 年左右被各自独立发射，并在数年的巡航之后，分别环绕并深入研究木卫二与木卫三。
然而，ESA 负责的 JGO 必须与其他重要项目竞争，从而获得优先发射权[注2]，因此 NASA 为自己负责的 JEO 准备了单独发展的应急方案，因此显得三心二意。更重要的是，两个探测器并无多大的互相依赖性，双方的合作于 2011 年 4 月破裂，开始各自独立发展自己的探测器。ESA 将 JGO 改为“木星冰卫星探测者”，但依旧以探测木卫三为首要目标。NASA 的 JEO 则于 2015 年 6 月被“木卫二快船”（Europa Clipper）项目取代。
2012 年 4 月，Juice 在与另外两个项目的竞争中胜出，此后被 ESA 确定为“宇宙幻境 2015–2025 计划”（Cosmic Vision 2015–2025 Programme）的第一个大级别（L 级）项目。[注3]
2014 年，ESA 完成了对 Juice 的设计和目标的详细研究。2015 年 7 月，空中客车防务与航天公司（Airbus Defence and Space）被选为设计和建造 Juice 的主制造商，并在此后在欧洲各地制造 Juice 的各种硬件与仪器。过去几年，Juice 的部件和仪器通过了各种测试，然后被组装后转移到发射场。
阿丽亚娜 5 号火箭的 logo 。2 年前，ESA 向全世界的孩子征集 Juice 的 logo ，10 岁的 Yaryna 的作品成功入选，并被画在了火箭的上端。图片来源：Manuel Pédoussaut/ESA
Juice 的任务
按照规划，Juice 的首要任务是研究木卫三的各种特征，其次是研究木卫二、木卫四与木星，再次则是研究木卫一以及木星的其他卫星。我们可将其任务分类如下。
1、确定木卫三的地下海是否存在；如果存在，则间接研究其性质。木卫三平均半径达到 2634 千米，是太阳系内最大的卫星，其半径比水星的平均半径（2440 千米）更大。天文学家在 20 世纪 70 年代就猜测木卫三有地下海洋。“伽利略”与哈勃空间望远镜（“哈勃”）对木卫三的观测进一步支持了木卫三拥有地下海的猜测。据估计，木卫三海水的总量可能达到地球海水总量的 6-8 倍，深度可达 100 千米，埋在 150 千米的冰壳下方。
“哈勃”观测到的木卫三的极光的紫外线伪色图像与“伽利略”拍摄到的木卫三的图像的叠加。根据极光的摇摆角度，天文学家推断木卫三具有地下海，后者产生的感应磁场部分阻止了因木星磁场而产生的木卫三极光摇摆效应。图片来源：NASA/ESA
2、研究木卫三表面地形、地质、表面物质的化学成分、冰层的物理性质与稀薄大气的性质。
3、木卫三的磁场及其与木星磁场的相互作用。木卫三的铁-镍核心产生的固有磁场（木卫三是太阳系内唯一拥有固有磁场的卫星），与其可能存在的地下咸水海产生的感应磁场都将是 Juice 研究的重要对象。
4、探测木卫二的地下海，并确定它们的特征。“伽利略”的磁强计的探测使天文学家推断木卫二拥有地下咸水海，后者产生了感应磁场。据估计，木卫二拥有的水量可能达到地球海水总量的3倍，平均深度可能达到 100 千米。“哈勃”观测到的木卫二部分区域喷发出的水羽流进一步证实木卫二确实可能拥有地下海。
“哈勃”于 2014 年 1 月 26 日拍下的木卫二喷发出的水羽流的合成图。木卫二的图由“伽利略”及旅行者号探测器得到的数据合成而来。这次羽流喷发高度达到 160 千米。羽流表明木卫二下方可能有一个水构成的海洋。图片来源：NASA, ESA, W. Sparks (STScI), and the USGS Astrogeology Science Center
5、研究木卫二的地形特征、地质特征、表面的化学物质、非水冰物质的化学成分，确定其地质活动最活跃的部分的冰层的最小厚度。
木卫二表面的科纳马拉乱地（Conamara Chaos，左）及其在木卫二（右）上面的位置。一些过程破坏了先前存在的横切岭。蓝色代表水冰，红棕色区域代表非水冰。这些图像由“伽利略”在 1996-1997 年获得的数据合成而来。图片来源：NASA/JPL
6、确定木卫四是否真的有地下海，绘制木卫四表面的地形、地质与不同区域的表面物质的化学成分，研究木卫四冰层的物理性质。木卫四自形成以来没有发生地质活动，其表面因为陨石撞击而留下的陨石坑都被保留着。研究木卫四的具体的地形，对于理解太阳系内天体的形成历史有重要价值。
“伽利略”于 2001 年拍摄的木卫四。图片来源：NASA/JPL/DLR
7、研究冰卫星内部质量分布、动力学与演化的特征，测量冰卫星各处的重力场。
8、测量木星磁层，研究木星磁场与冰卫星磁场的相互作用，研究木星磁场加速过的带电粒子对冰卫星表面的影响。
9、在相对远距离观测木卫一与木星的一些形状不规则卫星。
Juice 的任务核心之一是确认冰卫星的咸水海的存在性并研究它们（如果有）的性质。咸水海有利于嗜盐微生物生存与进化。因此 Juice 可能将实现人类地外探索生命方面零的突破。
如果 Juice 无法找到生命存在的证据，但确认了地下海的存在并获得它们更具体的性质，那也是一个重要的进步，因为液态水给出了天体的演化过程的重要线索之一。
木卫二冰层下方的水沿着冰层的缝隙喷发出去，形成水羽流（plume）的艺术想象图。水羽流带出地下海内部的分子（molecules），来自太空的带电粒子辐射（charged particle radiation）轰击并分解了一部分分子。海床爆发的火山（见图左）为海水提供热量。图片来源：NASA/JPL-Caltech
Juice 的仪器
Juice 上面共有 10 个科学仪器，其中 3 个是光谱仪，2 个是测绘与遥感仪器，2 个是粒子探测器，剩余的 3 个仪器分别是相机、磁强计与雷达。
3 个光谱仪分别是“紫外成像光谱仪”（UV Imaging Spectrograph，UVS）、“卫星和木星成像光谱仪”（Moons and Jupiter Imaging Spectrometer，MAJIS）、与“亚毫米波仪器”（Sub-millimeter Wave Instrument，SWI），观测/工作波长分别为 55-210 纳米（紫外）、0.4-5.7 微米（光学与红外）与约 0.3 毫米/约 0.6 毫米。
UVS 研究冰卫星的大气散逸层、木星的上层大气、木星与其冰卫星的极光、搜寻木卫二表面喷发出的水羽流等。MAJIS 观测木星大气对流层中的云特征和微量气体，识别并研究木星冰卫星复杂的表面的冰和矿物成分，并在它们的表面寻找有机分子，确定它们是否适宜生命存在。 SWI 研究木星的平流层和对流层，以及冰卫星的大气散逸层和表面。在观测木星时，MAJIS 与 UVS 的分辨率分别为 100 千米与 250 千米；在观测木卫三时，MAJIS 与 UVS 的分辨率分别为最高可分别达到 75 米与 500 米。
木卫二表面喷发出的水羽流的艺术想象图。图片来源：Ron Miller
2 个测绘与遥感仪器分别是“木卫三激光高度计”（Ganymede Laser Altimeter，GALA）与“木星和伽利略卫星的引力和地质物理”（Gravity and Geophysics of Jupiter and Galilean Moons，3GM）。前者的主要功能是通过激光测距测绘三维地形，其垂直分辨率达到 10 厘米；后者的主要功能是测量各处重力场、确定冰卫星地下海洋的构造、确定冰卫星大气与电离层结构。
2 个粒子探测器分别是“粒子环境包”（Particle Environment Package，PEP）与“射电和等离子体波研究”（Radio and Plasma Wave Investigation，RPWI）。它们被用于直接探测中性粒子、带电粒子以及它们发射出的射电波。
相机即“对朱庇特、他的爱情事件和后代的全面观测”（Jovis, the Amorum ac Natorum Undique Scrutator，JANUS）[注4]。它的观测波长范围为 0.36-1.1 微米，具有三维成像功能，主要拍摄木卫三和木卫四表面，分辨率最高可达 2.4 米。
磁强计即“Juice 磁强计”（Juice -Magnetometer，J-MAG）。它可以探测冰卫星的磁场，从而确定或否定木卫三与木卫四具有地下海洋的推断。此外，它还可以探测木卫二及木卫三磁场与木星磁场的相互作用。
雷达即“冰卫星探测雷达”（Radar for Icy Moons Exploration，RIME）。它的 16 米长的天线发射出波长约为 33 米的雷达波，可以穿透冰表面下方 9 千米深处，然后反射回去再被天线接收。通过穿透与反射，可以获得冰卫星表面下方 9 千米内的冰层结构，其垂直分辨率最高可达 30 米。
RIME 由 NASA 的喷气推动实验室（JPL）与意大利航天局（ASI）合作研发，前者提供雷达的发射器、接受器与电子元件。图片来源：NASA/JPL-Caltech
除了以上 10 个仪器之外，Juice 的天线还可以将特定信号传输出去，地球上的甚长基线干涉测量仪（Very Long Baseline Interferometry，VLBI）接收这些信号，精确测量木星及其冰卫星的重力场，这就是“行星无线电干涉仪和多普勒实验”（Planetary Radio Interferometer and Doppler Experiment，PRIDE）。
Juice 的 10 个仪器的位置分布图，黑色方块为电池帆板。图片来源：ESA
由于采用了先进的技术，这 10 个仪器非常轻巧，总质量只有 104 千克。
Juice 使用太阳能电池帆板产生电能，为仪器提供工作电源，它工作时的功率达到 820 瓦。在木星轨道附近，太阳的照射强度仅为地球附近的约 4% ，为了获得充足电源，不仅要求电池性能非常好，还要求电池帆板面积非常大——它的面积约为 85 平方米。
除了仪器与电池之外，另一个重要的部件是导航设备。它精确引导探测器沿着预定路线前进。
运行路径
为了节省火箭燃料并提高速度，Juice 将使用此前被广泛使用的引力弹弓（引力助推）技术，借助行星的巨大引力来提升速度。按照计划，它将在 2024 年 8 月飞掠地球-月球系统，在 2025 年 8 月 31 日飞掠金星，在 2026 年 9 月 29 日与 2029 年 1 月 18 日第 1 次与第 2 次飞掠地球。
经过这几次飞掠，Juice 将获得足够高的速度，前往木星。在前进途中，它可能于 2029 年 10 月 15 日顺路飞掠小行星223 Rosa ，对其进行近距离探测。
Juice轨道示意图，图下方的直线上的时间节点从左到右依次是：发射、飞掠地月系统、飞掠金星、第 1 次飞掠地球、第 2 次飞掠地球、到达木星、探测木星系统并完成 35 次飞掠、环绕木卫三。图片来源：ESA
按照计划，经过 8 年的巡航后，Juice 将在 2031 年 7 月开始进入木星系统，并通过机动与引力木星卫星的弹弓效应实现变轨，进入环绕木星的轨道，经过约 3.5 年环绕探测后，它将于 2034 年12月脱离木星轨道，前往木卫三。
在完成这些飞掠之后，Juice 开始进入环绕木卫三的轨道，从而成为木卫三轨道器。这也将使它成为第一个围绕月亮之外的天然卫星公转的探测器。
朱诺（Juno）号木星探测器于 2021 年 6 月 7 日拍摄的木卫三图像。图片来源：NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS
在刚环绕木卫三时，Juice 的轨道平均半径很大（5000 千米），此后多次变轨之后，其轨道将成为圆形，且距离木卫三表面的高度将只有 500 千米。
从进入木星系统到低空环绕木卫三，Juice 在整个过程中飞掠木卫二、木卫三、木卫四共 35 次，对这3颗冰卫星进行近距离探测。加上进入木星之前为了实现引力弹弓而进行的几次飞掠，Juice 要进行约 40 次机动，以完成这些飞掠操作。这些机动将耗费大量推进剂，因此 Juice 携带的推进剂的质量约为 3000 千克。
在 500 千米的轨道上，Juice 将绕木卫三公转大约 1 年（至少 9 个月）。如果到时还有剩余的推进剂，它将继续变轨，使环绕高度降低到 200 千米。推进剂耗尽之后，Juice 将在 2035 年底撞击木卫三。这些近距离环绕以及最后撞击之前的接近过程，都将使 Juice 能以前所未有的分辨率观测木卫三。
天文学家提出的木卫三的结构模型。根据理论推断，木卫三从内到外依次是富含铁的固态核心、富含铁与硫化物的液态核心、岩石幔、深层冰（因为压强过大而成为 VI 型正方冰——tetragonal ice）、液态海洋与外层冰（普通的 Ih 型六角冰——hexagonal ice）。木卫四表面分布着陨石坑（crater）、沟槽（grooves）、亮地（light terrain）与暗地（dark terrain）。图片来源：Kelvinsong
探测木星冰卫星的组合拳
如果进展顺利，Juice 将大大提升人类对木卫三的各方面性质的理解，提升人类对木卫二、木卫四与木星的一些性质的理解。在最乐观的情况下，它甚至有可能获得木星冰卫星存在生命的证据。
将于 2024 年升空的木卫二快船会在 2030 年（比 Juice 更早 1 年）到达木星系统，它将通过多次近距离飞掠的模式（没有环绕模式，因为木星在木卫二轨道处的磁场太强烈）详细观测木卫二，并与稍后到达的 Juice 互相配合，互相提供经验，并比较数据。
此外，我国正在筹划的“天问四号”项目也以木星及其冰卫星作为主要探测目标。如果它通过立项，将有可能在 2029 年升空，其主探测器将于 2035 年到达木星，并成为环绕木卫四的轨道器，获取木卫四的各种细节信息。
如果 Juice 、木卫二快船与天问四号都能成功实现目标，那人类对木星冰卫星的各种性质的认识将得到全面的提升。
我们祝福它们都大获成功。
注释
[注1]伽利略卫星是木星的最大的 4 颗卫星。由于伽利略比马里乌斯更早公布自己对木星 4 颗卫星的观测结果而使它们被称为“伽利略卫星”。席泽宗院士于 1981 年的论文中指出，中国战国时期著名天文学家甘德可能在 2000 多年前就观测到木卫三（“岁星在子，……若有小赤星附于其侧，是谓同盟”）。不过，文献中描述甘德发现的这颗星为红色星（“小赤星”），这是令人费解的，因为这么暗的星无法被分辨出颜色。因此，这个疑似的发现尚未获得公认。
[注2]这对于行星探测器极为重要，因为这类探测器有一定的时间窗，错过后就要等很多年。
[注3]“宇宙幻境 2015–2025 计划”是 ESA 的一个庞大的空间项目群项目，其中的探测器被分为小（S）、中等（M）与大（L）三个等级。L 级仅有 3 个项目，Juice 是其中的第一个（L1）。
[注4]木星英文名 Jupiter = 古罗马神话中的神朱庇特 = 古希腊神话中的宙斯，马里乌斯以古希腊神话中宙斯的情人伊奥（Io），欧罗巴（Europa），伽尼米德（Ganymede）与卡利斯托（Callisto）来分别命名木星卫星。
参考文献
https://sci.esa.int/web/juice/-/50068-science-objectives
https://www.nasa.gov/press/2015/march/nasa-s-hubble-observations-suggest-underground-ocean-on-jupiters-largest-moon
https://www.planetary.org/space-missions/juice
https://en.wikipedia.org/wiki/Jupiter_Icy_Moons_Explorer
https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Juice
https://sci.esa.int/web/juice/-/61498-juice-inner-structure
https://www.nature.com/articles/d41586-023-01256-x
原创 王善钦 返朴 2023-04-15 09:53 发表于广东
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