據(jù)報道，在歷時20年的研發(fā)和“心碎”之后，對木衛(wèi)二的探索終于即將拉開帷幕。這是否將成為我們在太陽系中找到外星生命的最佳機(jī)會呢?
木衛(wèi)二是一顆冰封的星球，僅比月球稍小一點兒。從遠(yuǎn)處望去，木衛(wèi)二上仿佛鐫刻著許多暗色的條紋，就像幼兒的涂鴉一樣。而靠近了看，它們其實是冰面上長長的裂隙，有時可綿延數(shù)千公里。許多冰隙中充滿了一種未知的污染物，被科學(xué)家稱作“棕色漿糊”。除這些冰隙之外，其它地方則地形多變、崎嶇不平。
木星的巨大引力產(chǎn)生的潮汐力使木衛(wèi)二周期性地拉伸與擴(kuò)張。但木衛(wèi)二的地表之所以如此崎嶇多變，主要還是因為這層冰殼漂浮在液態(tài)水構(gòu)成的海洋之上。
“我們從此前的探索任務(wù)中得知，木衛(wèi)二冰殼下方存在液態(tài)水，因此木衛(wèi)二是最激動人心的尋找地外生命目標(biāo)之一。”倫敦大學(xué)學(xué)院馬拉德(Mullard)太空科學(xué)實驗室的安德魯·科茨教授(Prof Andrew Coates)指出。
木衛(wèi)二的液態(tài)水可能深達(dá)地表下方80至170米，意味著木衛(wèi)二上的液態(tài)水儲量很可能是地球上全部海水總和的兩倍。
水對于生命至關(guān)重要，而除此之外，木衛(wèi)二海洋中也許還存在其它物質(zhì)，如微生物的能量來源等。不僅如此，這片地下海或許還能通過多種途徑與地表相連，如從冰殼中冒出的、溫度較高的少量冰屑。因此，對木衛(wèi)二地表的探索或能幫助我們更好地了解其地下海狀況。
圖為木衛(wèi)二的分層結(jié)構(gòu)。
圖為伽利略號拍攝的四張木衛(wèi)二圖片。
目前，NASA正在籌備兩項木衛(wèi)二探索計劃，并在于休斯頓舉行的第48屆月球與行星科學(xué)大會上開展了相關(guān)討論。
第一項任務(wù)名叫“木衛(wèi)二快艇”(Europa Clipper)，預(yù)計將于2022年啟動。第二項任務(wù)則計劃登陸木衛(wèi)二表面，預(yù)計于幾年之后開展。
NASA噴氣推進(jìn)實驗室“木衛(wèi)二快艇”項目科學(xué)家羅伯特·帕帕拉多博士(Dr Robert Pappalardo)表示：“我們正在探索木衛(wèi)二宜居的可能性，尋找水和能量來源等生命必備物質(zhì)。為達(dá)到這一目的，我們將分析地下海和冰殼的組成成分和地質(zhì)構(gòu)造。”
“木衛(wèi)二快艇”探測器將攜帶九臺設(shè)備，其中包括用來拍攝木衛(wèi)二表面的攝像機(jī)，用來分析其成分的質(zhì)譜儀，可穿透冰層尋找地下水、并對冰殼開展三維測繪的雷達(dá)，以及用來分析海洋特征的磁力計。
不過，自從伽利略號探測器于上世紀(jì)90年代發(fā)現(xiàn)木衛(wèi)二存在地下海的證據(jù)以來，我們逐漸了解到，木衛(wèi)二并非獨一無二。
“在過去十年間，我們發(fā)現(xiàn)太陽系外層存在海洋的星球并不鮮見，這是行星探測界最重要的發(fā)現(xiàn)之一。”“木衛(wèi)二快艇”項目科學(xué)家科特·涅伯博士(Curt Niebur)指出。
例如，土衛(wèi)二南極就有冰屑從冰隙中噴出。
科學(xué)家計劃在2020年之后也對土衛(wèi)二開展探測任務(wù)，但涅伯認(rèn)為木衛(wèi)二的價值更加突出：“木衛(wèi)二比土衛(wèi)二大得多，內(nèi)容也更加豐富，有更多的地質(zhì)活動、更多的水、更大的儲水空間、更多熱量、更豐富的物質(zhì)、環(huán)境也更加穩(wěn)定。”
但最重要的是，木衛(wèi)二有著更理想的周邊環(huán)境。其軌道深入木衛(wèi)二強(qiáng)大的磁場中，因此能夠困住并加速宇宙粒子。這一過程中形成的高強(qiáng)輻射帶對于探測器的電子元件危害巨大，因此開展任務(wù)的時間大大受限，僅能持續(xù)幾月、甚至幾周。這些輻射也對木衛(wèi)二地表造成了影響，促進(jìn)了氧化物的產(chǎn)生。而在地球上，氧化物與還原化合物間發(fā)生的氧化還原反應(yīng)恰好為生命提供了所需的能量。
“木衛(wèi)二快艇”號探測器或能確定木衛(wèi)二上是否存在生命。
不過，木衛(wèi)二地表生成的氧化物只有進(jìn)入地下海、才能為微生物所用。好在使地下水上涌的對流過程也能將地表物質(zhì)帶入地下。進(jìn)入地下海之后，氧化物便可與海水和巖床反應(yīng)生成的還原物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。
“這就像電池供電，陰陽兩極都必不可少。”帕帕拉多解釋道。
對于帕帕拉多等科學(xué)家而言，這些計劃中的任務(wù)意味著二十年來的夢想即將實現(xiàn)。自從上世紀(jì)90年代探索木衛(wèi)二的概念誕生以來，科學(xué)家就不斷提出各種野心勃勃的提議，最終卻紛紛折戟。
美國和歐洲甚至曾計劃向木衛(wèi)二和木星最大的衛(wèi)星木衛(wèi)三分別派遣探測器。但由于經(jīng)費問題，這一計劃不得不取消。
“18年來，每次有人提出木衛(wèi)二探索計劃，我都默默祈禱，最終卻只能看著計劃流產(chǎn)。”科特·涅伯表示。“這條道路無比漫長，使我們屢屢心碎。”
雖然探索木衛(wèi)二的成本不會高出卡西尼號和好奇號探測器，但依然代價不菲。
科學(xué)家首先要解決機(jī)械挑戰(zhàn)，如儀器在木星輻射帶中的運行問題。探測器設(shè)備必須用鈦之類的金屬隔離起來，但帕帕拉多博士指出，儀器不能被保護(hù)得太嚴(yán)密，否則就無法探測木衛(wèi)二。
因此為保障探測器安全，NASA不得不改變行動路線。“我們原本認(rèn)為，既然伽利略號已經(jīng)飛掠了木衛(wèi)二，下一項任務(wù)自然是發(fā)射軌道探測器。”涅伯表示。但“木衛(wèi)二快艇”探測器為減少輻射，將采用圍繞木星飛行的方式，在三年半時間里，至少開展45次近距離飛掠木衛(wèi)二行動。“
“我們可以繞開圍繞木衛(wèi)二飛行帶來的技術(shù)問題，提高任務(wù)可行性，同時通過增加飛掠次數(shù)，取得同樣的探測結(jié)果。”參與該項目的科學(xué)家指出。
木衛(wèi)二附近的光照強(qiáng)度僅有地球上的30分之一。但NASA仍計劃采用太陽能電池板為其供能，而不是其它太陽系外層探測任務(wù)使用的放射性發(fā)電機(jī)。
“多年的研究工作使我們不得不拋卻之前的想法，沉湎于美好的夢想，而是專注于現(xiàn)實，專注于最卓越的科學(xué)技術(shù)。”涅伯說道。
2011年，美國與歐洲的合作任務(wù)取消之后，國家研究委員會發(fā)布的一項報告重申了探索木衛(wèi)二的重要性。即便如此，經(jīng)費問題仍使NASA對此持謹(jǐn)慎態(tài)度。
但美國國會的支持改變了局面。對木衛(wèi)二的探索獲得了民主黨與共和黨的共同支持。共和黨國會議員約翰·科爾伯森(John Culberson)是眾議院撥款委員會的主席，NASA經(jīng)費便在該機(jī)構(gòu)的管轄范圍之內(nèi)。現(xiàn)年60歲的科爾伯森就讀高中時曾用自己購買的望遠(yuǎn)鏡眺望過木衛(wèi)二，自此之后就一直對其神往不已。四年來，雖然NASA并未提出要求，但他領(lǐng)導(dǎo)的委員會不斷向參與木衛(wèi)二研究的科學(xué)家撥款。
有了慷慨的投資，“木衛(wèi)二快艇”技術(shù)問題的解決速度很快超過了其它任務(wù)處在該階段(B階段)時的情況。登陸器仍處于研發(fā)早期階段(即早期A階段)，但針對該任務(wù)科學(xué)價值的報告已經(jīng)在月球與行星科學(xué)大會上進(jìn)行了討論。
該登陸器并未得到美國總統(tǒng)2018年預(yù)算撥款。但NASA行星科學(xué)部門主管吉姆·格林博士(Dr Jim Green)表示：“這項任務(wù)極其激動人心，因為它能從人類難以到達(dá)的星球表面告訴我們，人類還需開展怎樣的研究。”
“我們還有很長的路要走，必須勤勤懇懇，弄清我們需要進(jìn)行哪些測繪工作。未來獲得了足夠的資金之后，我們才能順利開展下一步研究。”
二十年來，科學(xué)家提出了許多新穎的木衛(wèi)二登陸器設(shè)計方案，說明登陸木衛(wèi)二將使我們收獲頗豐。馬拉德太空科學(xué)實驗室的格林特·瓊斯博士(Dr Geraint Jones)針對其中一種名叫“穿透器”的設(shè)計進(jìn)行了研究。
“這一技術(shù)還未實際采用過，但可行性很高。”瓊斯博士解釋道。該探測器將被衛(wèi)星彈射出來，“以每秒300米的高速重重砸向木衛(wèi)二表面，”從而使內(nèi)部冰層暴露在外，供儀器進(jìn)行分析。當(dāng)然，這些儀器經(jīng)過了特殊設(shè)計，能夠承受劇烈撞擊。
而NASA設(shè)計的登陸器將采用2012年好奇號登陸火星時運用的“空中吊車”技術(shù)，緩慢降落在木衛(wèi)二表面。著陸時，登陸器將開啟自動著陸系統(tǒng)，實時監(jiān)測地面情況，避開危險因素。
“木衛(wèi)二快艇”探測器可從空中確定合適的著陸地點。“它可以尋找地下水距地表較近的區(qū)域，也許這些地方溫度較高、還存在有機(jī)物。”帕帕拉多表示。
該探測器將配備高敏儀器，還將配有一臺反旋鋸，用來鉆取木衛(wèi)二地表冰層下方的樣本。
“登陸器的目標(biāo)是獲取全新的研究樣本，這可以通過兩種方法實現(xiàn)，一是挖至地下深處，二是尋找地表有噴射活動的區(qū)域，因為這些地質(zhì)活動會將新鮮的地下物質(zhì)帶到地表。”科特·涅伯說道。
近年來，哈勃望遠(yuǎn)鏡在木衛(wèi)二和土衛(wèi)二表面都觀測到過冰屑從地下噴出的現(xiàn)象。但這些噴發(fā)現(xiàn)象時間過于久遠(yuǎn)，將登陸器派往此處毫無意義，我們需要尋找更近期的噴發(fā)地點。
因此，科學(xué)家需要弄清這些間歇性的噴發(fā)現(xiàn)象究竟由何種因素控制。“木衛(wèi)二快艇”號探測器將確定它們是否與木衛(wèi)二地表溫度較高的熱點區(qū)域有關(guān)。
地球的海洋中生機(jī)盎然，因此我們可能很難想象木衛(wèi)二地下深達(dá)100公里、毫無生機(jī)的海洋是怎樣一番光景。而假如那里真的存在外星生命，我們真的能辨別出來嗎?
“此次登陸器任務(wù)的目標(biāo)不僅是探測到外星生命，還需要讓大家相信我們做到了這一點，”涅伯解釋道，“如果我們耗費巨資、結(jié)果反而引發(fā)了巨大爭議，可不是什么好事。”
因此，該項目團(tuán)隊用了兩天時間，專門說明這一問題。首先，任何探測結(jié)果都必須以通過直接測量得到的大量獨立證據(jù)為基礎(chǔ)。
“這件事不能一蹴而就。你不能開展了一次測量之后就宣稱自己找到了外星生命，只有整體結(jié)果才能說了算。”涅伯指出。
其次，科學(xué)家提出了對觀測結(jié)果的解讀框架。有些結(jié)果可能是正面的，有些則可能是負(fù)面的。“這一框架構(gòu)建了包含各種結(jié)果的決策樹。最終得到的結(jié)論要么是‘我們找到了外星生命’，要么是‘我們沒找到外星生命’”。
如今，該團(tuán)隊還在拭目以待，期待科學(xué)界被他們的計劃打動。
科特·涅伯解釋道：“我希望相關(guān)探討能夠早日開展，這樣等登陸器抵達(dá)木衛(wèi)二表面時，我們就可以專注于數(shù)據(jù)分析了。”