木星的卫星上都有海洋了，那有外星生命吗？别急这就去看

北京时间4月14日晚20:14，欧洲航天局（ESA，简称“欧空局”）在法属圭亚那发射场，通过阿丽亚娜5号运载火箭，将木卫系探测卫星JUICE送入轨道。

这是一颗怎样的探测器，为什么会有那么“萌”的名字呢？

升空后的JUICE将完成一系列展开动作 | 欧洲空间局

JUICE的全名是Jupiter Icy Moons Explorer，字面意思是“木星冰卫星探测器”。顾名思义，它会将木星的卫星作为主要探测对象。根据计划，JUICE将对木星及其3颗伽利略卫星——木卫三、木卫四、木卫二进行详细观测，其中，对木卫三还将进行环绕探测。

这是人类历史上首次派探测器深入研究木卫，也将首次进入除月球外太阳系其他天然卫星的轨道。

JUICE与木星及木星的4颗伽利略卫星 | 欧洲空间局

目标：小太阳系

木星是太阳系最大的行星，现在很多天文学家称其为“气态巨行星”。

虽然它和土星之间关于卫星数量的明争暗斗持续了几十年，然而大家都相信身大力不亏的木星应该拥有太阳系最多的天然卫星。果然，截至2022年底，木星以95颗天然卫星再度登顶。

当然，绝大部分卫星都很迷你，其中83%的卫星直径不超过10公里，但也有像伽利略卫星这样直径超过3000公里的巨大卫星。

木星和它的4颗伽利略卫星，木卫一、木卫二、木卫三的图像来自1996年NASA伽利略号探测器，木卫四的图像来自1979年旅行者号探测器 | NASA/JPL/DLR

木卫一（艾奥）、木卫二（欧罗巴）、木卫三（盖尼米得）、木卫四（卡利斯托），统称为伽利略卫星，是400年前伽利略将望远镜指向天空后最早作出的发现之一。在晴朗的夜晚，仅凭一副小型的双筒望远镜就能看到它们。

近现代观测表明，这4颗卫星有着鲜明的特色以及独特的魅力。

木卫一直径3643公里，几乎与月球一模一样，距离木星421700公里。它是出了名的“火爆脾气”，坐拥400余座活火山，是太阳系中地质活跃度最高的星球。木卫一在塑造木星磁场方面发挥着重要作用。木星带动自身强大的磁场快速旋转，让木卫一活脱脱成为一台巨大的发电机，产生40万伏的电压和300万安培的电流。火山喷发出大量离子，沿木星磁力线进入木星高层大气形成极光，同时也使木星的磁场膨胀到原来的两倍多。

木卫二内部结构示意图 | 欧洲空间局

木卫二则截然不同，是一个冰封的世界，直径3122公里，成为了整个太阳系中的第15大天体，第6大卫星。它赤道附近表面温度只有-160℃，然而现代观测显示，在其巨大的表面冰层以下，蕴藏着一个深达几十公里的巨大海洋，总水量达到地球海洋的2~3倍。

木卫三和木卫四被认为是岩石和冰混合在一起的星球，或许也都存在地下海洋。

木卫三的直径达到5270公里，是太阳系最大卫星，甚至比水星还大。它也是目前已知太阳系中唯一拥有磁场的卫星。木卫一、木卫二和木卫三的公转周期刚好形成1:2:4的共振，这使得木卫一、木卫二获得了潮汐加热，也是木卫一拥有众多火山、木卫二拥有巨大水体的主要原因之一。木卫三本身也拥有一个巨大的地下海洋，它是否具有宜居性，一直是科学家好奇的问题。

木卫三内部结构示意图 | 欧洲空间局

木卫四略小于水星，是太阳系第三大卫星，距离木星达188万公里，基本处在木星磁层外，已被木星潮汐锁定，始终只有一面朝着木星。它是木星主要卫星中密度最小的一个，因此推测它可能也拥有100多公里深的地下海洋。

在了解了木星的这几颗主要卫星后，或许我们就不难理解为什么这个项目叫作JUICE了（虽然老外向来有“凑单词”的习俗）。一来大部分卫星都是冰天雪地的icy moons（木卫一不是JUICE的“菜”），二来它们内部“汁水”够多的！

目前我们都认为生命是从海洋孕育而生的，那么这些卫星是否能作为生命的潜在栖息地呢？对这些卫星的研究或许能告诉我们行星上的海洋是如何形成的，以及生命出现的条件是什么。

太阳系中其他星球海洋与地球海洋的比较（地球为1倍），其中火星海洋为古海洋的推测 | NASA

木星还有为数众多的迷你卫星，在多种不同轨道上运行。正因为木星和它的一众卫星组成了如此丰富精彩的世界，木卫系也被喻为“小太阳系”。研究木卫系将有助于我们了解太阳系形成和演化的历史。

JUICE将于2031年抵达木星，并计划绕木星飞行至2034年底，对行星的大气层和磁层进行细致的观测。期间，它将飞越木卫二两次、木卫三12次、木卫四21次。随后，它将尝试成为木卫三的卫星，并最终进入500公里高度圆轨道抵近观测。

设备：精巧全面

JUICE是欧空局2015-2025年“宇宙视野计划”（Cosmic Vision）的第一个大型任务。

“宇宙视野计划”确定了四大科学方向——生命和行星形成的条件是什么？太阳系是如何运行的？宇宙的基本定律是什么？宇宙是如何起源又是由什么组成的？

在经过仔细分析研究后，欧空局最终选择了行星际探测，并将目标瞄准太阳系中的水冰卫星。这样做既能传承和发挥欧洲的经验，也能在相关领域研究中保持一定的竞争力。

整装待发的JUICE探测器 | 欧洲空间局

JUICE干质量约2.4吨，起飞质量（含燃料）约6.0吨。巨大的太阳能电池板总面积约为85平方米，包含2356颗太阳能电池，为探测器提供约820W电力，相当于一台家用微波炉。这也是有史以来空间科学探测任务中所使用的最大规模太阳能电池阵列，因为在遥远的木星，太阳辐射只有地球轨道上的3.7%。解决通信和数据传输问题的，则是2.5米长的高增益天线。

JUICE上使用的太阳能板 | 空中客车公司

JUICE将携带10台最先进的仪器，分别属于遥感探测载荷、地质物理探测载荷和原位探测载荷。

遥感探测载荷

JANUS（Jovis, Amorum ac Natorum Undique Scrutator）

全称是拉丁语，意思是“对木星及其情侣的全面观察”。它是一套相机系统，能对木卫三和木卫四上有价值的目标进行照相观测，分辨率优于每像素400米。它还能对选定的理想目标进行25米/像素至2.4米/像素的高分辨率观测。该相机还拥有13个滤光器（含全色、宽带和窄带），波长在0.36μm至1.1μm之间，即可见光和近红外短波区域。

MAJIS（Moons and Jupiter Imaging Spectrometer）

全称为“卫星与木星成像光谱仪”，是一台工作在400 nm至5.70µm（可见光和红外）成像光谱仪，光谱分辨率为3-7 nm。主要观测对象是木星上的对流层云特征和含量较少的气体类型、冰卫星表面的冰和矿物的组成成分。对木星的空间分辨率约为100公里，对木卫三的空间分辨率则可达到75米。

UVS（UV Imaging Spectrograph）

紫外成像光谱仪。工作在55-210 nm波长范围内，光谱分辨率<0.6 nm，主要探测冰卫星的外大气层和极光、木卫二的喷射羽流、木星高层大气和极光。对木星的空间分辨率为250公里，木卫三的空间分辨率为500米。

SWI（Sub-millimeter Wave Instrument）

亚毫米波探测器。这也是一台光谱仪，只不过它针对的是频率为1080–1275 GHz和530–601 GHz的射电波。它研究的对象主要是木星的平流层和对流层，以及冰卫星的外大气层和表面。

地质物理探测载荷

GALA（Ganymede Laser Altimeter）

木卫三激光高度计，主要任务当然是测高度。它在200公里高度的垂直分辨率能达到10厘米，能精确测量冰卫星的地形和潮汐形变。

RIME（Radar for Icy Moons Exploration）

冰卫星探测雷达是一副长16米的天线，工作频率为9MHz，专用于地下结构探测，深度可达9公里，垂直分辨率高达30米。

3GM（Gravity and Geophysics of Jupiter and Galilean Moons）

3GM全名是“木星和伽利略卫星引力和地质物理学”，是一套专用于研究木卫三重力场和冰卫星内部海洋的无线电科学组件，包括Ka波段转发器和超稳定振荡器。这套设备还能研究木星及其卫星的中性大气和电离层结构。

原位探测载荷

PEP（Particle Environment Package）

粒子环境组件有6个传感器，目标是研究木星的磁层及其与木星卫星的相互作用。作为原位探测器，PEP将测量木卫系中存在的正负离子、电子、外层中性气体、热等离子体和高能中性原子，探测能量从1毫电子伏特到1兆电子伏特。

J-MAG（JUICE-Magnetometer）

利用灵敏的磁力计研究冰卫星的地下海洋，以及木星磁场与木卫三磁场的相互作用。

RPWI（Radio and Plasma Wave Investigation）

无线电和等离子体波探测器用于观察航天器周围的等离子体环境和无线电辐射，包含了电场磁场传感器和4个朗缪尔探针，将开展4项等离子体实验。

从多个电磁波段到等离子体，从电场到磁场，从大气到地下，无论是探测目标还是探测方法，几乎应有尽有。

这些科学载荷组合在一起，将JUICE武装成一个功能强大的太空天文台。尤其是，这些设备对冰卫星表面与地下海洋的探测针对性极强，让人充满期待。

JUICE的主要科学载荷 | 欧洲空间局

旅途：精心设计

JUICE的目标是探测木星及其多颗冰卫星，不仅旅途遥远，而且还要扎根木卫三。为了顺利达到目的地，又要节省燃料，工程师精心设计了一条华丽的飞行路线。

在离开地面后，JUICE并不是径直飞向木星，而会在地球和金星之间转悠一段时间，将有4次借助地球和金星的引力帮助其加速，俗称“引力弹弓”。直到8年后，它才会抵达太阳系行星巨人。

JUICE前往木星的飞行轨迹 | 欧洲空间局

根据计划，它将于2024年8月飞越地月系，2025年8月飞越金星，2026年9月和2029年1月再度飞越地球，随后才能进入木星转移轨道。其中，对地月系的飞越被称为月地引力辅助（LEGA）——先令探测器飞越月球，一天半之后再飞越地球实现加速，这也是第一次有航天器做这样的尝试。

JUICE将多次飞掠地球和金星，借助“引力弹弓”前往木星 | 欧洲空间局

从最后一次与地球挥别，到2031年7月抵达木星，JUICE在茫茫太空中还要飞行两年半。但工程师不想让它闲着，期望它在2029年10月前后顺道看一眼223号小行星罗萨（223 Rosa），这是一颗距离太阳约3.0天文单位，位于主带中的司理星族小行星。

在进入木星轨道前半年，JUICE将被唤醒，投入科学探测。探测器进入木星系后，将利用木卫四与木卫二的引力调整轨道，实现对木卫二南北半球中纬度地区进行探测，确定是否存在液态水或地下海洋，确定非冰物质的化学组成。

随后，再多次借助木卫四抬高轨道倾角，实现对木星高纬度地区，重点是木星大气层、木星磁层的探测。

JUICE借助木卫四抬高轨道倾角的过程 | 欧洲空间局

2034年12月，JUICE将进入环木卫三的轨道。在木星的引力摄动下，探测器轨道的偏心率不断调整，最终它将进入一条距离木卫三表面约500公里的圆轨道，重点考察木卫三的磁场、空间环境、表面组成、海洋分布等，还将完成对其三维地图的绘制。

JUICE将通过132天完成对木卫三全球的激光测距，从而绘制木卫三的三维地图 | 欧洲空间局

在完成全部探测任务后（计划是2035年末），JUICE将以撞击木卫三表面的方式结束自己漫长的旅程。

人类航天器第一次造访木星距离今年刚好过去半个世纪，其中有过7次飞越木星，但只有两次环绕木星飞行，但目标都是木星本身，并未有过环木卫的探测器。

有了刚刚启程的JUICE，人类将真正有机会第一次深入研究地球以外的海洋。8年后，或许我们就能得到令人激动和振奋的消息。

JUICE飞掠木卫三的场景，最快也要到8年后才会实现 | 欧洲空间局

此外，美国航天局（NASA）也计划于2024年10月发射木卫二探测器“木卫二快船”（Europa Clipper）。如果一切顺利的话，“木卫二快船”可能后发先至，于2030年4月到达木星。

届时将同时有两个探测器在太阳系“冰封水世界”工作，人类深空探测将呈现全新的格局。

参考文献

[1] Sheppard, Scott S. "Moons of Jupiter". Earth & Planets Laboratory. Carnegie Institution for Science. Retrieved December 20, 2022.

[2] https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/JUICE_is_Europe_s_next_large_science_mission

[3] https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Juice_factsheet

[4] "Io: Overview". Solar System Exploration. NASA. Archived from the original on 11 February 2003. Retrieved 29 October 2014.

[5] Foust, Jeff (February 10, 2021). "NASA to use commercial launch vehicle for Europa Clipper". SpaceNews. Archived from the original on February 16, 2021. Retrieved February 10, 2021.

编辑：Steed、大头

封面图来源：欧洲空间局

封面图路牌素材来源：图虫创意

-

天文摄影作品征集

上海天文馆开启长期征集天文摄影作品活动。欢迎点击下方图片跳转小程序链接进行投稿。


-

原创科普文章投稿 

上海天文馆长期开放科普文章投稿通道。请将稿件投递至[e-mail]。邮件名称请注明“投稿”。