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尋找外星生命的最佳機會?木衛二探索終將拉開帷幕

時間:2017-03-28 08:13:37

在木衛二崎嶇不平、冰天雪地的地殼下方,有一片巨大的海洋。

『木衛二快艇』號探測器將至少開展45次近距離飛掠木衛二行動。

  據國外媒體報道,在歷時20年的研發和『心碎』之後,對木衛二的探索終於即將拉開帷幕。這是否將成為我們在太陽系中找到外星生命的最佳機會呢?

  木衛二是一顆冰封的星球,僅比月球稍小一點兒。從遠處望去,木衛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,有時可綿延數千公裡。許多冰隙中充滿了一種未知的污染物,被科學家稱作『棕色漿糊』。除這些冰隙之外,其它地方則地形多變、崎嶇不平。

  木星的巨大引力產生的潮汐力使木衛二周期性地拉伸與擴張。但木衛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水構成的海洋之上。

  『我們從此前的探索任務中得知,木衛二冰殼下方存在液態水,因此木衛二是最激動人心的尋找地外生命目標之一。』倫敦大學學院馬拉德(Mullard)太空科學實驗室的安德魯·科茨教授(Prof Andrew Coates)指出。

  木衛二的液態水可能深達地表下方80至170米,意味著木衛二上的液態水儲量很可能是地球上全部海水總和的兩倍。

  水對於生命至關重要,而除此之外,木衛二海洋中也許還存在其它物質,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。

圖為木衛二的分層結構。

圖為伽利略號拍攝的四張木衛二圖片。

  目前,NASA正在籌備兩項木衛二探索計劃,並在於休斯頓舉行的第48屆月球與行星科學大會上開展了相關討論。

  第一項任務名叫『木衛二快艇』(Europa Clipper),預計將於2022年啟動。第二項任務則計劃登陸木衛二表面,預計於幾年之後開展。

  NASA噴氣推進實驗室『木衛二快艇』項目科學家羅伯特·帕帕拉多博士(Dr Robert Pappalardo)表示:『我們正在探索木衛二宜居的可能性,尋找水和能量來源等生命必備物質。為達到這一目的,我們將分析地下海和冰殼的組成成分和地質構造。』

  『木衛二快艇』探測器將攜帶九臺設備,其中包括用來拍攝木衛二表面的攝像機,用來分析其成分的質譜儀,可穿透冰層尋找地下水、並對冰殼開展三維測繪的雷達,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於上世紀90年代發現木衛二存在地下海的證據以來,我們逐漸了解到,木衛二並非獨一無二。

  『在過去十年間,我們發現太陽系外層存在海洋的星球並不鮮見,這是行星探測界最重要的發現之一。』『木衛二快艇』項目科學家科特·涅伯博士(Curt Niebur)指出。

  例如,土衛二南極就有冰屑從冰隙中噴出。

  科學家計劃在2020年之後也對土衛二開展探測任務,但涅伯認為木衛二的價值更加突出:『木衛二比土衛二大得多,內容也更加豐富,有更多的地質活動、更多的水、更大的儲水空間、更多熱量、更豐富的物質、環境也更加穩定。』

  但最重要的是,木衛二有著更理想的周邊環境。其軌道深入木衛二強大的磁場中,因此能夠困住並加速宇宙粒子。這一過程中形成的高強輻射帶對於探測器的電子元件危害巨大,因此開展任務的時間大大受限,僅能持續幾月、甚至幾周。這些輻射也對木衛二地表造成了影響,促進了氧化物的產生。而在地球上,氧化物與還原化合物間發生的氧化還原反應恰好為生命提供了所需的能量。

『木衛二快艇』號探測器或能確定木衛二上是否存在生命。

  不過,木衛二地表生成的氧化物只有進入地下海、纔能為微生物所用。好在使地下水上湧的對流過程也能將地表物質帶入地下。進入地下海之後,氧化物便可與海水和岩床反應生成的還原物發生化學反應。

  『這就像電池供電,陰陽兩極都必不可少。』帕帕拉多解釋道。

  對於帕帕拉多等科學家而言,這些計劃中的任務意味著二十年來的夢想即將實現。自從上世紀90年代探索木衛二的概念誕生以來,科學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二和木星最大的衛星木衛三分別派遣探測器。但由於經費問題,這一計劃不得不取消。

  『18年來,每次有人提出木衛二探索計劃,我都默默祈禱,最終卻只能看著計劃流產。』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。

  科學家首先要解決機械挑戰,如儀器在木星輻射帶中的運行問題。探測器設備必須用鈦之類的金屬隔離起來,但帕帕拉多博士指出,儀器不能被保護得太嚴密,否則就無法探測木衛二。

  因此為保障探測器安全,NASA不得不改變行動路線。『我們原本認為,既然伽利略號已經飛掠了木衛二,下一項任務自然是發射軌道探測器。』涅伯表示。但『木衛二快艇』探測器為減少輻射,將采用圍繞木星飛行的方式,在三年半時間裡,至少開展45次近距離飛掠木衛二行動。『

  『我們可以繞開圍繞木衛二飛行帶來的技術問題,提高任務可行性,同時通過增加飛掠次數,取得同樣的探測結果。』參與該項目的科學家指出。

  木衛二附近的光照強度僅有地球上的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使用的放射性發電機。

  『多年的研究工作使我們不得不拋卻之前的想法,沈湎於美好的夢想,而是專注於現實,專注於最卓越的科學技術。』涅伯說道。

  2011年,美國與歐洲的合作任務取消之後,國家研究委員會發布的一項報告重申了探索木衛二的重要性。即便如此,經費問題仍使NASA對此持謹慎態度。

  但美國國會的支持改變了局面。對木衛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經費便在該機構的管轄范圍之內。現年60歲的科爾伯森就讀高中時曾用自己購買的望遠鏡眺望過木衛二,自此之後就一直對其神往不已。四年來,雖然NASA並未提出要求,但他領導的委員會不斷向參與木衛二研究的科學家撥款。

  有了慷慨的投資,『木衛二快艇』技術問題的解決速度很快超過了其它任務處在該階段(B階段)時的情況。登陸器仍處於研發早期階段(即早期A階段),但針對該任務科學價值的報告已經在月球與行星科學大會上進行了討論。

  該登陸器並未得到美國總統2018年預算撥款。但NASA行星科學部門主管吉姆·格林博士(Dr Jim Green)表示:『這項任務極其激動人心,因為它能從人類難以到達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,弄清我們需要進行哪些測繪工作。未來獲得了足夠的資金之後,我們纔能順利開展下一步研究。』

  二十年來,科學家提出了許多新穎的木衛二登陸器設計方案,說明登陸木衛二將使我們收獲頗豐。馬拉德太空科學實驗室的格林特·瓊斯博士(Dr Geraint Jones)針對其中一種名叫『穿透器』的設計進行了研究。

  『這一技術還未實際采用過,但可行性很高。』瓊斯博士解釋道。該探測器將被衛星彈射出來,『以每秒300米的高速重重砸向木衛二表面,』從而使內部冰層暴露在外,供儀器進行分析。當然,這些儀器經過了特殊設計,能夠承受劇烈撞擊。

  而NASA設計的登陸器將采用2012年好奇號登陸火星時運用的『空中吊車』技術,緩慢降落在木衛二表面。著陸時,登陸器將開啟自動著陸系統,實時監測地面情況,避開危險因素。

  『木衛二快艇』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域,也許這些地方溫度較高、還存在有機物。』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,用來鑽取木衛二地表冰層下方的樣本。

  『登陸器的目標是獲取全新的研究樣本,這可以通過兩種方法實現,一是挖至地下深處,二是尋找地表有噴射活動的區域,因為這些地質活動會將新鮮的地下物質帶到地表。』科特·涅伯說道。

  近年來,哈勃望遠鏡在木衛二和土衛二表面都觀測到過冰屑從地下噴出的現象。但這些噴發現象時間過於久遠,將登陸器派往此處毫無意義,我們需要尋找更近期的噴發地點。

  因此,科學家需要弄清這些間歇性的噴發現象究竟由何種因素控制。『木衛二快艇』號探測器將確定它們是否與木衛二地表溫度較高的熱點區域有關。

  地球的海洋中生機盎然,因此我們可能很難想象木衛二地下深達100公裡、毫無生機的海洋是怎樣一番光景。而假如那裡真的存在外星生命,我們真的能辨別出來嗎?

  『此次登陸器任務的目標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、結果反而引發了巨大爭議,可不是什麼好事。』

  因此,該項目團隊用了兩天時間,專門說明這一問題。首先,任何探測結果都必須以通過直接測量得到的大量獨立證據為基礎。

  『這件事不能一蹴而就。你不能開展了一次測量之後就宣稱自己找到了外星生命,只有整體結果纔能說了算。』涅伯指出。

  其次,科學家提出了對觀測結果的解讀框架。有些結果可能是正面的,有些則可能是負面的。『這一框架構建了包含各種結果的決策樹。最終得到的結論要麼是「我們找到了外星生命」,要麼是「我們沒找到外星生命」』。

  如今,該團隊還在拭目以待,期待科學界被他們的計劃打動。

  科特·涅伯解釋道:『我希望相關探討能夠早日開展,這樣等登陸器抵達木衛二表面時,我們就可以專注於數據分析了。』

原標題:尋找外星生命的最佳機會?木衛二探索終將拉開帷幕
來源:新浪科技  作者:
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