奔向比火星更遙遠(yuǎn)的地方

蘭順正

2021年6月12日，中國(guó)航天局在新聞發(fā)布會(huì)上，向媒體正式發(fā)布了“十四五”及未來一個(gè)時(shí)期發(fā)展的重點(diǎn)規(guī)劃。根據(jù)公布的消息，中國(guó)擬于2028年實(shí)施火星取樣返回任務(wù)。同時(shí)，還將在2029年實(shí)施木星系及行星際穿越探測(cè)任務(wù)。顯然，未來有關(guān)木星的探測(cè)任務(wù)將會(huì)再次成為世界航天界的熱點(diǎn)之一。

角落里的大個(gè)子

木星是太陽系中最大的行星，其赤道半徑約為71 400千米，體積足以容納1316個(gè)地球;質(zhì)量是地球的318倍，比太陽系其他所有行星加起來還要重2.5倍。其軌道距離太陽77 800萬千米，公轉(zhuǎn)一周大約需要12個(gè)地球年，但自轉(zhuǎn)一周僅需要9小時(shí)50分30秒。作為一顆氣態(tài)巨行星，木星由90% 的氫和10% 的氦組成，還有極微量的其他氣體，包括甲烷和氨。木星大氣層厚約1000千米，其星球表面則是由液態(tài)氫形成的深約1.6萬千米的海洋。

這些年來，月球、火星乃至金星探測(cè)都十分火熱，大量探測(cè)器頻繁光臨這些星球。而與之相比，由于木星探測(cè)任務(wù)的飛行時(shí)間更長(zhǎng)，軌道更復(fù)雜，制導(dǎo)、控制難度更大，技術(shù)要求更高。因此，木星可謂長(zhǎng)期居于角落，人類迄今對(duì)木星的探測(cè)任務(wù)次數(shù)屈指可數(shù)。

從20世紀(jì)70年代起，人類先后發(fā)射了先驅(qū)者10號(hào)、11號(hào)，旅行者1號(hào)、2號(hào)等8個(gè)探測(cè)器，但其中大部分對(duì)木星只是兼顧，在路過時(shí)順便獲取圖像和數(shù)據(jù)。1989年發(fā)射的伽利略號(hào)是人類首個(gè)專門面向木星的探測(cè)器。它于1995年12月抵達(dá)木星環(huán)繞軌道，對(duì)木星開展了近8年的研究，最終墜入木星大氣層焚毀。

目前仍在木星附近工作的是朱諾號(hào)，該探測(cè)器是美國(guó)航空航天局（NASA）實(shí)施新疆界計(jì)劃的第二個(gè)探測(cè)項(xiàng)目，于2011年8月5日升空，歷時(shí)5年飛行，于2016年7月4日成功進(jìn)入環(huán)木星軌道。朱諾號(hào)攜帶了微波輻射計(jì)、紅外線成像光譜儀、引力/無線電研究設(shè)備、矢量磁強(qiáng)計(jì)和彩色相機(jī)等9種主要儀器，主要探測(cè)木星強(qiáng)大的磁場(chǎng)和極光如何產(chǎn)生;通過測(cè)量木星大氣層中氨氣及水分的總量，判定其是否擁有固態(tài)核心;繪制木星的引力場(chǎng)與磁場(chǎng)，拍攝木星及其衛(wèi)星的靜態(tài)圖像與視頻等。

雖然一直以來，木星探測(cè)任務(wù)較少，但探索木星同樣有巨大價(jià)值。

太陽系形成初期，太陽系中心的行星由于受輻射太強(qiáng)，氣體物質(zhì)會(huì)劇烈沸騰并蒸發(fā)，只會(huì)存留在距離太陽較遠(yuǎn)的區(qū)域，它們有些被外行星吸收，形成巨大的氣體行星，有些結(jié)成了冰覆蓋在最外的小星體表面。而木星大氣則堪稱是太陽系形成初期情況的“化石”。

現(xiàn)在，科學(xué)家已經(jīng)建造了一套太陽系行星形成理論，并根據(jù)理論模擬了不同元素隨著太陽距離變化的分布。通過分析木星表面大氣成分，便可驗(yàn)證確認(rèn)該理論是否正確， 而且也十分有助于加深對(duì)太陽系的了解。

同時(shí)木星上的氫含量極高，是一座能源寶庫。由于氫的同位素氘和氚都是熱核反應(yīng)的重要原料，而這些元素在地球上含量又很少，所以開發(fā)木星上的氫資源既可解決人類能源問題，有助于可持續(xù)發(fā)展，又能將其用作核火箭的燃料，以便實(shí)現(xiàn)星際航行。

尤其值得注意的是，木星目前已知擁有67顆衛(wèi)星，可以說是一個(gè)小太陽系，而其中的四顆大型衛(wèi)星具有很大的開發(fā)價(jià)值。

以名為歐羅巴的木衛(wèi)二為例，其與木星之間的平均距離為670 900千米，為第二近。木衛(wèi)二直徑3100千米，繞木星公轉(zhuǎn)一周需要3天半的時(shí)間。和其他星球相比，木衛(wèi)二是以“外星生命”而聞名。

早在1979年，經(jīng)旅行者2號(hào)和旅行者1號(hào)的探測(cè)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)木衛(wèi)二就像個(gè)冰與奶油、巧克力混合的球體，表面上分布著彎曲的條紋。當(dāng)時(shí)的研究認(rèn)為，該衛(wèi)星表面覆蓋著5千米厚的冰層，冰層下面可能有一片深達(dá)50千米的海洋，而且海洋中有可能存在生命。這一研究結(jié)果在當(dāng)時(shí)立刻引起了科學(xué)界的關(guān)注，自此木衛(wèi)二成了各界探索地外生命的重點(diǎn)天體。

從目前的探測(cè)結(jié)果來看，這顆星球呈現(xiàn)冰殼狀，表面裂縫交錯(cuò)，這說明冰層曾受到巨力的作用。科學(xué)家們研究后認(rèn)為，這種力是由木衛(wèi)二和木星及其他3顆衛(wèi)星之間的引力形成的潮汐力，其作用不僅造成了木衛(wèi)二的表面特征，還使木衛(wèi)二內(nèi)核很熱，大量熱能從火山口或熱泉眼噴發(fā)出來，導(dǎo)致表面部分冰層融化，使其內(nèi)部的水以液態(tài)存在。而且冰層之下的海洋水一部分被蒸發(fā)變成水蒸氣，并通過一些噴孔飄到了大氣之中，最后在太陽的作用下產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，使木衛(wèi)二的大氣層中出現(xiàn)了氧氣。

2013年12月11日，NASA 宣布，木衛(wèi)二表面發(fā)現(xiàn)的黏土質(zhì)礦物可能孕育生命。2016年9月26日，NASA 發(fā)現(xiàn)木衛(wèi)二有水汽噴發(fā)?，F(xiàn)在科學(xué)界普遍認(rèn)為，木衛(wèi)二內(nèi)部有一個(gè)金屬核，核外是石質(zhì)的殼，殼外是液態(tài)水海洋，海洋表面是冰層，該衛(wèi)星有極大的可能孕育生命。

目前，NASA的下一代木星探測(cè)器“歐羅巴快船”正在準(zhǔn)備中，預(yù)計(jì)探測(cè)器將在2023年發(fā)射。這個(gè)探測(cè)器重達(dá)6噸，最核心的任務(wù)是對(duì)木衛(wèi)二進(jìn)行全方位的勘測(cè)，甚至可能攜帶降落器到木衛(wèi)二的冰層上進(jìn)行進(jìn)一步考察。按計(jì)劃，當(dāng)“歐羅巴快船”2030年到達(dá)目標(biāo)時(shí)，該航天器會(huì)繞木星軌道飛行，將在距離木衛(wèi)二表面16～1700英里（約25～2700千米）的高度進(jìn)行45次近距離飛越，對(duì)木衛(wèi)二表面進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，并對(duì)其稀薄的大氣進(jìn)行采樣。

鑒于探測(cè)木星意義重大， 中國(guó)科學(xué)界在此前出版的《2016—2030年空間科學(xué)規(guī)劃研究報(bào)告》中，就已經(jīng)提出了木星系統(tǒng)探測(cè)計(jì)劃。該計(jì)劃的科學(xué)目標(biāo)包括研究木星磁層結(jié)構(gòu)，木星衛(wèi)星木衛(wèi)二的大氣模型，木衛(wèi)二表面的冰層形貌及厚度，金星、地球、木星間的太陽風(fēng)結(jié)構(gòu)。同時(shí)，計(jì)劃中還提出對(duì)地球生命的地外生存狀態(tài)及演變特性進(jìn)行研究，指出要開展木星系統(tǒng)探測(cè)器在行星際飛行期間，以及木星系統(tǒng)探測(cè)期間的微型遙測(cè)遙控生物試驗(yàn)，觀測(cè)并研究地球生命在不同空間段的生命狀態(tài)、適應(yīng)性反應(yīng)及變化過程。

根據(jù)此次的消息，國(guó)家航天局今后還將陸續(xù)公布這些任務(wù)的國(guó)際合作計(jì)劃，秉持“共商、共建、共享”理念，與國(guó)際同行一起密切協(xié)作，共同探索宇宙的奧秘。

同時(shí)，“天問一號(hào)”火星任務(wù)總規(guī)劃師張榮橋也在記者會(huì)上表示，除了其科學(xué)價(jià)值外，對(duì)木星的探測(cè)還將導(dǎo)致新發(fā)明和技術(shù)的發(fā)展?！斑@樣的任務(wù)需要我們?yōu)閴勖L(zhǎng)的航天器開發(fā)新技術(shù)，更好地跟蹤和控制以及改進(jìn)能源，”他解釋說，“總而言之，它將大大推動(dòng)我們的太空探索能力?！?/p>