作者：兰顺正
首发自：《航天员》
当地时间2024年10月14日，美国航天局“欧罗巴快船”号探测器发射升空，启程前往木星，将探索木星卫星木卫二（又称欧罗巴）表面下是否有适宜生命存在的条件。而“欧罗巴快船”的发射也让有关木星系探测活动再次成为航天领域的热点。
八大行星里的“巨人”
木星是太阳系中最大的行星，其赤道半径约为71400千米，体积足以容纳 1316个地球，质量是地球的318倍，比其他所有行星加起来还要重2.5倍，其轨道距离太阳77800万千米，公转一周大约需要12个地球年，但是自转一周仅 9小时50分30秒。作为一颗气态行星，木星由90%的氢和10%的氦组成，还有极微量的其他气体，包括甲烷和氨。木星表面是液态氢的“海洋”，深约1.6万千米，大气层厚约1000千米。
木星可谓是太阳系中的“大块头”
这些年来，月球探测、火星探测乃至金星探测都十分火热，大量探测器频繁光临这些星球。而与之相比，由于木星探测任务飞行时间更长，轨道复杂，制导、导航和控制难度更高，技术更复杂，因此木星可谓长期居于“角落”里，迄今对于该行星的探测任务次数屈指可数。从20世纪70年代起，人类先后发射了先驱者10号、11号，旅行者1号、2号等8个探测器，但其中大部分对于木星只是“兼顾”，在路过时顺便获取图像和数据。1989年发射的“伽利略”号探测器是人类首个专门用于探测木星的探测器。它于1995年12月抵达木星环绕轨道，对木星开展了近8年的研究，最终坠入木星大气层焚毁。
目前仍在木星附近工作的是“朱诺”号探测器，该探测器由美国洛克希德·马丁公司建造，NASA下属喷气推进实验室负责整个探测任务的运行，是NASA“新疆界计划”实施的第二个探测项目。“朱诺”在2011年8月5日升空，经历了5年的飞行后，于2016年7月4日成功进入环木星轨道。“朱诺”号携带了微波辐射计、红外线成像光谱仪、引力/无线电研究设备、矢量磁强计和彩色相机等9 种主要仪器，其任务包括：探测木星强大的磁场是如何产生的，并研究极光的形成；通过测量木星大气层中氨气及水分的总量，判定其是否拥有固态核心；另外探测器还将绘制出木星的引力场与磁场，并拍摄木星及其卫星的静态图像与视频等。
虽然一直以来木星比较受“冷落”，但探索木星同样存在着巨大的价值。在太阳系形成初期，太阳系中心的行星由于受辐射太强，气体物质会剧烈沸腾并蒸发，只会存留在距离太阳较远的区域，它们有些被外行星吸收，形成巨大的气体行星，有些结成了冰覆盖在最外的小星体表面。而木星大气则堪称是太阳系形成初期情况的“化石”。现在科学家已经建造了一套太阳系行星形成理论，并根据理论模拟了不同元素随着太阳距离变化的分布。通过分析木星表面大气成分，便可验证确认该理论是否正确,而且也十分有助于加深对太阳系的了解。同时木星上的氢含量极高，是一座能源宝库。由于氢的同位素氘和氚都是热核反应的重要原料，而这些元素在地球上含量又很少，所以开发木星上的氢资源既可解决人类能源问题，有助于可持续发展，又能将其用作核火箭的燃料，以便实现星际航行。
探索地外生命的热点
尤其值得注意的是，木星目前已知拥有67颗卫星，可以说是一个小太阳系，而其中的四颗大型卫星具有很大的开发价值。以此次“欧罗巴快船”号的目标——木卫二为例，其与木星之间的平均距离为670900千米，为第二近。木卫二直径3100公里，绕木星公转一周需要三天半的时间。和其他星球相比，木卫二是以“外星生命”而闻名。早在1979年，经旅行者2号和旅行者1号的探测，科学家发现木卫二就像个冰与奶油、巧克力混合的球体，表面上分布着弯曲的条纹。当时的研究认为，该卫星表面覆盖着 5 千米厚的冰层，冰层下面可能有一片深达 50 千米的海洋，而且海洋中有可能存在生命。这一研究结果在当时立刻引起了科学界的关注，自此木卫二成了各界探索地外生命的重点天体。
木卫二表面裂缝交错
从目前的探测结果来看，这颗星球呈现冰壳状，表面裂缝交错，这说明冰层曾受到巨力的作用。科学家们研究后认为，这种力是由木卫二和木星及其他三颗卫星之间的引力形成的潮汐力，其作用不仅造成了木卫二的表面特征，还使木卫二内核很热，大量热能从火山口或热泉眼喷发出来，导致表面部分冰层融化，使其内部的水以液态存在。而且冰层之下的海洋水一部分被蒸发变成水蒸气，并通过一些喷孔飘到了大气之中，最后在太阳的作用下产生化学反应，使木卫二的大气层中出现了氧气。
木卫二存在液态海洋
2013年12月11日，美国NASA宣布，木卫二表面发现黏土质矿物可能孕育生命。2016年9月26日，NASA发现木卫二有水汽喷发。现在科学界普遍认为，木卫二内部有一个金属核，核外是石质的壳，壳外是液态水海洋，海洋表面是冰层，该卫星有极大的可能孕育生命。
建造中的“欧罗巴快船”
据报道，此次发射的“欧罗巴快船”是NASA为行星任务所开发的有史以来最大探测器，价值50多亿美元，其太阳能电池阵列展开时跨度超过30米，比一个标准篮球场还大，发射时重量接近6000公斤，探测器由24个引擎提供动力。
按计划，“欧罗巴快船”将飞行约29亿公里，预计于2030年4月到达木卫二，飞船沿途将飞越火星，然后飞越地球，利用每颗行星的引力来帮助航天器在前往木星的旅程中使用更少的燃料并提高速度。到达目的地后，飞船将绕木星运行，并对木卫二进行近50次近距离飞掠，其中最近距离为25公里。
“欧罗巴快船”的目标是研究木卫二的宜居性，具体的研究目标为：分析木卫二冰壳和地下水系统的特性，包括非均质性、冰下海洋特性以及地表-冰层-海洋之间的交换过程；调查木卫二物质组成和化学成分，分析冰下海洋的宜居性；调查表面特征的形成过程，对有科学价值的区域开展分析；寻找正在进行的地质活动，特别是羽流和热异常现象，对其进行分析研究。
“欧罗巴快船”结构示意图
为完成使命，“欧罗巴快船”携带了摄像机、光谱仪、热成像仪、冰穿透雷达、磁力计等传感器，尽力收集有关这颗星球内外部的一切。据悉，由于要穿过被木星磁场（大约是地球磁场的2万倍）加速的连续带电粒子，安装在探测器中的电子设备必须能够抵抗辐射损伤。
有分析指出，通过近距离观察木卫二的地质和化学性质，如果幸运的话将能发现宜居性的明显特征。不过，科学家们也谨慎表示，并不指望会发现类人生物或动物。
另外在探测过程中，“欧罗巴快船”也不会孤单，其将与欧洲航天局2023年4月发射的Juice（木星冰卫星探测器）协同工作，该航天器将于2031年7月抵达以研究木星及其最大卫星。
“欧罗巴快船”任务计划2034年9月结束，届时探测器将撞向木星的另一颗卫星——木卫三，之所以选择这种处置策略，是因为木卫三被认为不太可能存在生命，不用担心被地球微生物污染。
探测木星有中国一个
中国在木星探索领域也不会缺席。《2016中国的航天》白皮书已经表示中国将开展木星系及行星穿越探测的方案深化论证和关键技术攻关。2021年，中国国家航天局秘书长许洪亮在召开的新闻发布会上，向媒体正式发布了“十四五”及未来一个时期发展重点规划，其中就包括中国拟于2029年实施木星系及行星际穿越探测任务。根据当时公布的消息，包括木星在内的行星探测工程任务已经得到党中央肯定，相关方案正按程序履行报批手续；而且国家航天局今后还将陆续公布这些任务的国际合作计划，以秉持“共商、共建、共享”理念与国际同行一起密切协作共同探索宇宙的奥秘。当时“天问一号”火星任务总规划师张荣桥也在记者会上表示，除了其科学价值外，对木星的探测还将导致新发明和技术的发展。
有资料指出，由于木星距离遥远，空间环境复杂，木星探测任务相比月球探测、火星探测技术难度更大，中国木星探测任务将会面临一系列新的技术难题。
如木星卫星众多，探测器将受到多体引力摄动，增大了轨道设计难度。木星系内探测目标众多，但木星附近辐射环境恶劣，探测轨道需要根据任务目标进行分析和设计，在保征探测器安全的情况下尽可能扩充探测成果。
而在木星探测整个任务过程中，地面需要与探测器进行不间断通信，确认探测器状态，发布控制指令，接收科学数据。由于木星距离遥远，探测器通信功率受限，通信信号强度微弱且数据传输速率低下。NASA和欧洲航天局都已建成全球范围的深空网，并计划在未来木星探测任务中综合使用X和Ka频段进行通信。目前中国深空网初步建成，X频段深空测控体系已在火星探测任务中进行了验证，但Ka频段测控能力尚需完善。
另外，木星与地球间通信延时高达34分钟，在对木星开展环绕探测时，地面无法对探测器进行实时遥测遥控，要求探测器具有极强的自主管理能力，确保探测任务正常实施。由于长时间的太空飞行和木星的高辐射环境，还要求探测器具备足够的故障处理能力，已实施的“伽利略”号和“朱诺”号探测器都出现过机构故障或系统故障，“伽利略”号出现过高增益天线无法打开、数据记录磁带卡带、导航系统失效等问题，“朱诺”号在行星际飞行过程中多次进入安全模式，推进系统也发生过故障。因此针对木星特殊的空间环境，中国方面需要进一步完善探测器故障诊断、处理能力，在机构和轨道设计上确保足够的冗余。