欧洲探测器瞄准木星系，不懈追寻遥远奥秘

4月13日，欧空局的木星冰月探测器升空，将在多年后重点观测木星及其3颗冰冷的卫星。这次探测任务将借助新技术、新规划，关注多个重点目标。虽然在发射后的核心器件穿透雷达出现了展开问题，但经过一个月的“太空抢救”后，已经恢复正常。

冰月探测器艺术效果图（图源：Airbus）

人类在1950年代进入航天时代后，探索更远的深空成为重要科研方向，尤其是探测太阳系内最大的行星-木星。在掌握行星引力助推技术后，可以利用这个巨大的引力源，给飞掠的探测器加速以达到能逃逸太阳系的速度。否则，以人类已有的火箭发射能力，很难直接赋予探测器足够大的初始速度。

在这种背景下，在1970年代，先后有先驱者10号（1972）、先驱者11号（1973）、旅行者2号（1977）、旅行者1号（1977）飞掠了木星。这些探测器所携带的图像记录设备，也为人类初步揭开了木星的神秘面纱，尤其是对大红斑的近距离观测。最终，在经过木星的强力引力助推后，它们都踏上了飞离太阳系的旅途。后来的尤利西斯号（1990）、卡西尼号（1997）、新视野号（2007）任务，也把飞掠木星作为确定任务轨迹的最重要中转站。

人类首次系统性研究木星是环绕木星的伽利略号（1989）。伽利略是著名的意大利科学家，发现木星系统的四颗卫星便是他最重要功绩之一。虽然在发射后高增益天线出现了严重故障、导致与地球的通信能力大幅下降，但伽利略号还是在8年内（1995-2003）实现了环绕木星34圈的壮举，深入研究了木星和卫星系统的构造、磁场和大气等。尤其是对欧罗巴等卫星的探索具有历史性意义，通过对磁性极点在不断移动的观测，科学家们初步形成了这些卫星在冰下拥有巨大海洋的结论，也有了冰月的概念，这个观点被更多后续科研反复证实。正因如此，伽利略号任务结束后，美国和欧洲都立即启动了对木星冰月的探测计划。

在这些探测计划实施之前，以罗马神话中“天神”朱庇特（木星的英文是Jupiter）的妻子命名的朱诺号在2011年先行一步、于2016年进入环绕木星的轨道。这颗探测器的重点是全方位研究木星，尤其是确定木星上各种气体比例、质量、引力场和磁场等细节问题，弥补伽利略号任务期间的各项不足，全面提升人类对木星的认知，也为后续木星冰月探测任务打下基础。

地球和太阳系内潜在的水资源对比图，甘尼米德和欧罗巴都超过地球（图源：NASA）

而刚发射的欧空局的木星冰月探测器和美国国家航空航天局即将于2024年发射的“欧罗巴快船”，则共同将研究重点放到了木星的各个冰月上。欧洲重点探索木卫三甘尼米德（最终实现环绕），美国重点探索木卫二欧罗巴，二者都为巨大的冰月。仅以欧罗巴为例，它虽然比月球还小，但在15-25千米后的冰层下藏着一个可能深达150千米的巨大海洋，甚至大幅超过了地球上的全部水资源。而它表面奇特的红棕色裂缝和斑点图案，也疑似是含硫化物和矿物盐的物质。伽利略号和朱诺号，也证实了其内部依然存在地质活动，加热海洋和冰层。而甘尼米德上的水，甚至可能远超欧罗巴。

孕育生命需要三大元素：液态水、可形成有机物的化学元素、能量。这些物质，在木星的冰月上并非奢求，甚至可能广泛存在，或许可以孕育出在极端环境下生存的微生物。因而，两大航天势力同时开展冰月探测任务，并非是巧合。

不过，对于遥远行星探测任务的能源供应始终是个大问题。在木星附近，太阳的能量密度骤降到地球附近的约4%，而冰月探测器继续沿用前辈朱诺号积累的宝贵经验，将挑战利用太阳能维持科学仪器工作。在任务期间，或许有机会成为利用太阳能工作最远的人类航天器。

冰月探测器携带了大量科学载荷（图源：ESA）

之所以选择甘尼米德作为主要探测目标，还因为它实在非常特殊。它是太阳系中最大的卫星，也是已知的唯一一颗拥有磁圈的卫星，存在稀薄的含氧大气层，疑似拥有电离层。它的内部结构也颇为复杂，一方面应该存在含铁的流动内核以激发磁场，另一方面也有大量的冰层和海洋结构覆盖全球，实在是太神秘了。因此，冰月探测器的核心科研载荷都围绕甘尼米德设计。穿透雷达可穿越冰层数千米，探索冰层结构和水的痕迹；激光高度计，可探测潮汐形变和地形地貌，揭示天体内部活动；此外，还可详细研究甘尼米德的重力场、磁场和电离层结构，为它系统性建立一份“身材档案”。在任务期间，它还会反复飞掠欧罗巴和卡利斯托（木卫四），寻找有机分子存在的痕迹。   

冰月探测器的复杂轨迹（图源：Astronomy官网）

不过，冰月探测器还是要面对一个巨大的挑战，这就是距离。受限于火箭发射能力，它必须反复依靠金星和地球的引力助推才能飞向木星，耗时长达7年，在2030年才能抵达木星附近，真正执行研究任务的时间仅有3年。它的竞争对手“欧罗巴快船”原计划通过重型火箭“太空发射系统”发射，可以不借助引力助推直接飞向木星，将飞行时间压缩到1-2年，不仅能提前到木星抢占科研高地、还能大幅提升研究时间区间。不过最后由于高昂的发射报价和火箭排期问题，不得不退而求其次，选择了猎鹰重型火箭和行星助推结合的方案。

对于外围行星的探测，火箭的运载能力依然是个限制瓶颈。未来重型火箭能力的提升，将会让这一切大幅改观。