NASA的下一站,去木卫二看大海
2017-07-07 10:42:45
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来源:果壳网

作者:Eric Betz 

Shea/编译

第一次潜到地球上漆黑而幽深的大洋底部时,人类发现了一个如月球表面一般的不毛之地。在冰冷的海水之下,远离阳光的滋养,那里看上去一片死寂。没有光,没有植物,也没有光合作用。

但随后,潜艇中的科学家开始探测地球上最大的山脉——几乎横跨了地球表面1/4的大洋中脊。探险家罗伯特·巴拉德(Robert Ballard)称这一巨大的裂谷为“创世的边界”。在大洋中脊里,有大约10 000座活火山在向外涌出熔岩,然后冷却凝固。在上个世纪70年代中期,巴拉德是第一批见到地球上这番景象的人之一。沿着加拉帕戈斯裂谷,他的团队看到了有十几层楼高的白色烟囱从海底升腾而起。并非是一片海底沙漠,在足以融化铅的温度下,那里有着了一个欣欣向荣的生态系统。没有阳光能穿透到这么深的海底。但在这个深渊中,另类的生物比比皆是。巨型的管虫高耸达3米,身旁还有与细菌一起共生的蛤蜊。

在世界各地几十年的探险之后,科学家不断发现新形式的生命,它们可以只使用化学物质就完成生命循环。它们的能量来源,它们在进化上的起源,乃至它们的食物链,都与我们的截然不同。

这些嗜极生物的存在暗示地外生命也许十分普遍,点燃了在太阳系中的近旁找到它们的希望。在土星的卫星土卫六、土卫二和(可能的)土卫一上,以及在木星的卫星木卫二、木卫三和木卫四上,已经发现了液态的海洋。科学家也正在研究在矮行星冥王星和谷神星上存在海洋的可能性。

NASA的下一个探测目标,将是木星的天然卫星之一、有着全球性冰下海洋的木卫二。图片来源:penny4NASA.org

在所有这些拥有海洋的卫星中,木卫二一直是最吸引​人的。木卫二上的海水比地球的还多,它也具有地质活动的迹象,例如哈勃空间望远镜发现了其海底火山和由水蒸汽组成的羽状喷发物。科学家怀疑,表面的冰层与下方的水相混合,可以为生命提供所需的营养。

如果我们能在太阳系中的其他地方发现生命的话,那它们极有可能会畅游在木卫二的海洋中,正在从其海底的热液喷口周围汲取化学能。不过,成本过高一直是此前无法将探测意图转变成实际任务的关键因素,但现在情况已经大为不同。

在从今往后短短6年的时间里,美国航空航天局(NASA)就将发射其第一个木卫二探测任务,它甚至可能还会携带一个木卫二的着陆器。在历经了几十年的努力、希望和成本过高的诟病之后,NASA已经正式为这一耗资数十亿美元的任务亮起了绿灯,它将有助于人类回答一个终极问题——在宇宙中我们是否孤独而唯一?在回答这个问题方面,木卫二多次飞掠任务绝不是第一个尝试,但它有望第一次为我们提供一个有说服力的回答。

木卫二多次飞掠任务计划于21世纪20年代发射。它将对拥有海洋的木卫二进行40次以上的飞掠观测,由此获得其迄今分辨率最高全球图像,探测那里存在生命的可能性。图片来源:NASA/JPL-CALTECH/SETI INSTITUTE (EUROPA); NASA/JPL/SPACE SCIENCE INSTITUTE (JUPITER)

木卫二上有液态水?

1977年,就在科学家开始对地球上的热液喷口进行研究的同一年,两个探测器发射升空飞往宇宙深处,开启了对另一个拥有海洋的天体——木卫二——的首次探测。

旅行者1号拜访了木星,在那里它观测到了木星卫星木卫一上火山的爆发。在木卫一的近旁,有一些奇怪事情正在木卫二之上发生。它的表面上纵横交错地布满了直线形的裂纹。不过,由于无法靠得更近,因此没能看清那里到底发生了些什么。值得庆幸的是,旅行者2号从近处飞过了它的表面。

美国太平洋时间1979年7月9日上午08时04分,在木卫二的冰面所反射出的暗淡阳光之中,旅行者2号飞驰而过。在它发回的第一批图像穿越5亿千米才抵达地球之后,科学家目瞪口呆。

乍一看,木卫二就像是帕西瓦尔·洛韦尔(Percival Lowell)想象中河网密布的火星。科学家猜测这些线条也许是山脊或者峡谷,可能是由木卫二膨胀或收缩所导致的。它们是不是有可能类似于地球上的板块构造?在发现之时,旅行者号的技术无疑是最领先的。但即便如此,仍需要人的大脑来对其解读。

现实中,在旅行者号到达之前,这个难题其实就已经解开了。就在旅行者号发现木卫一上有火山活动之前,有3位天文学家发表了一篇论文。他们提出,木卫一总是在其轨道上的同一点与木卫二最为接近。这种共振会使得轨道偏心率变大,导致木星对其施加巨大的潮汐力。这也会使得木卫一上火山喷出的硫能够落到木卫二的表面上——对于生在冰下的生物来说,这可能是一个关键的因素。

如果木星的潮汐力可以加热木卫一,那它也可以使得木卫二上出现火山活动。这一系列的线索和暗示最终汇聚成了一个普遍的假设,在木卫二数千米厚的冰层之下,潜藏着一个全球性的海洋。但对于木卫二上是否真的存在液态水,这个问题仍然需要一个可靠而有力的回答。

木卫二的个头比地球小很多,那里拥有的水资源却比地球上更多。图片来源:evin Hand (JPL/Caltech),

Jack Cook (Woods Hole Oceanographic Institution), Howard Perlman (USGS)

伽利略号探测器的诱人发现

有关木卫二的几乎所有认识,都来自于NASA的伽利略号探测器所搜集的数据。因挑战者号航天飞机失事,伽利略号的发射时间被推迟到了1989年。尽管受困于自身的严重问题,但它依旧改写了所有行星科学的教科书。伽利略号上4.9米的伞状高增益天线本应在其远离太阳之后完全打开,这可以使得它在很多年的时间里每分钟都能向地球发回高分辨率的图像。然而,由于马达卡住了,天线并没有完全打开。

受限于通讯能力,伽利略号的海量数据被拧成了涓涓细流。观测获得的数据不得不使用另一个天线来传输,其信号强度只有主天线的万分之一。伽利略号近距离飞掠木卫二只有12次,其中还有2次探测器进入了安全模式,NASA喷气推进实验室的科学家必须要以最大的限度来充分利用这些有限的机会。所获得的木卫二最高分辨率图像只有每像素6米的分辨率,而且还是黑白的。

尽管如此,传回来的第一幅木卫二照片依然让人惊叹不已。伽利略号的图像似乎证实了天文学家的怀疑:对木卫二表面特征的最佳解释是,在一个巨大的液态水海洋之上存在一个转动的冰壳层。这一表层同时也向天文学家提供了有关木卫二历史的线索。它的表面上分布着大大小小的冰原,冰原的断裂和相互挤压类似于板块运动,这使得木卫二成为了除地球之外唯一已知具有类似地质活动的天体。

伽利略号的磁强计在木星和木卫二之间探测到了感应磁场。对此,最简单的解释就是,木卫二拥有一个含盐的全球性地下海洋,因为冰本身的导电性不足。

科学家获得的数据只够用来构建木卫二的低分辨率图像,能满足科学家胃口的高清晰度图像几乎没有。今天许多研究木卫二的顶尖科学家,在当时都是使用伽利略号数据的研究生。对他们来说,后续探测任务的必要性似乎显而易见。但自从1995年伽利略号抵达木星起至今,NASA先后发射了11个火星任务,却不曾有一个探测器飞往木卫二。

对20世纪90年代伽利略探测器获得图像重新处理之后所获得的土卫二影像。其表面纵横交错的裂纹和缝隙强烈地暗示,在木卫二表面的冰层之下存在着一个全球性的海洋。图片来源:NASA/JPL-Caltech/SETI Institute

创新之源

参与新的木卫二任务的科学家大多在此之列。他们对伽利略号所获数据的研究,最终催生出了对木卫二的探测任务。

在世纪之交,这一梦想看上去似乎即将成真,当时有一组天文学家提出了木卫二海洋探索任务的计划。但最终,这个小探测器被认为是不现实的,NASA选择了前往冥王星的新视野号任务。不过,美国天文学会有关行星科学的10年规划,仍把木卫二列为了最优先的探测对象之一。当时,天文学家想发射一个环绕木卫二的轨道探测器。

最终,NASA要求有关的科学家提一个中型任务的方案。这个提案与欧洲空间局(ESA)的任务相结合,还将探测木星的另一颗冰质卫星木卫三,被称为木星冰质卫星探测器(JUICE)。但这一次,天文学界称这一概念不值这价。NASA宣布退出,ESA独自研发建造JUICE,计划于2022年发射。

使得所有这些任务都变得更加复杂的一个因素是,木卫二绕木星公转的轨道半径大约有644 000千米。这差不多是地月距离的2倍。在这个位置,任何航天器都必须要有能力抵挡住从木星射来的以近乎光速运动的高能电子洪流。

在环绕轨道探测器的提案被否决之后,NASA要求寻找其他的替代方案。其中一个方案源自于NASA已经精通的对土星卫星的研究。通过计算,JPL的科学家奇迹般的拓展了卡西尼号探测器的轨迹。在过去7年中,卡西尼号使用剩下的20%的燃料环绕土星运转了155圈。在铤而走险地数次飞掠中,它从土星卫星的表面之上俯冲而过,发现土卫二上存在热液喷口的迹象、土卫六上的降雨和其他的新现象。在其距离最近的飞掠中,卡西尼号距离土卫二的表面仅25千米。

这一魔术般的轨道设计也被用在木卫二的飞掠探测器上。木卫二的表面被划分成14个交叠的区域,通过多次飞掠可以对木卫二进行全球性的高分辨率成像。由此获得的最佳图像可以与NASA获得的月球和火星图像的相当。此外,由于它不会像木卫二的环绕器那样一直处于木星附近,因此这一飞掠探测器就不需要对辐射进行严实的防护。

这一任务设计总体上很有利于作出科学发现。通过多次飞近和飞出木卫二附近的区域,这个探测器可以从远处来观测木卫二。如果在远处发现了它的羽状喷出物,就可以调整飞掠它的轨道。

如果木卫二确实存在如哈勃空间望远镜所探测到的活跃羽状喷发,那么这个探测器就有可能在针对性的飞掠中对喷出物进行采样,品尝一下木卫二大海的味道,确定它的组成成分。在最终被木星的辐射破坏之前,最后的提案包含了至少45次飞掠,且几乎所有的飞掠距离木卫二表面的高度都在100千米之内。这把它的成本降到了大约20亿美元,只有此前预计的一半。

类似于首批月球和火星的三维数据所带来的变革,结合木卫二的影像学和地形数据,也将彻底改变有关它的认识。然而,获得这些照片并不容易。内太阳系的影像受益于太阳的亮度以及围绕环绕目标天体的平稳轨道。木卫二飞掠任务飞过木卫二表面的高度,差不多与地球上最好的侦察机的飞行高度相当。在光照条件已经非常弱的情况下,探测器下方的地面还会高速反向移动。

因此,虽然卡西尼号的电荷耦合器件(CCD)照相机也需要面对土星周围类似条件所带来的技术挑战,不过木卫二项目的团队还是决定把目光投向新视野号探测器的照相机——远程勘测成像仪(LORRI)。2015年,它在新视野号飞掠遥远冥王星时拍摄的高分辨率图像震惊了世界。不同于CCD相机,它所采用的是互补型金属氧化物半导体(CMOS),后者是一种在低光照条件下更有效的探测器。

现在,有许多数码相机也在使用CMOS探测器。它非常适合木卫二,因为它比CCD有更强的辐射耐受能力,读出的速度也快得多。

由伽利略号探测器数次飞掠木卫二所获得的影像制作的拼接图像,覆盖了从木卫二北极到南极的部分区域。可以看到,除了部分区域拥有分辨率较高的图像之外,其他的都为低分辨率影像。图片来源:NASA/JPL-Caltech/University of Arizona

深海

在伽利略号任务归于平静之后,NASA的科学家开始前往地球上的极端之地去寻求新的发现。

这些地方包括美国阿拉斯加的北斜坡和南极的干燥山谷,以及大西洋中脊和东太平洋海岭。此外,还有失落之城热液区,那里有甲烷和氢气被喷射至海水中,与20世纪70年代所发现的有着黑烟囱的热液喷口大不一样。那里没有管虫或者蛤蜊;相反,存在完全不同的生命形式,例如蜗牛、软体动物和甲壳类动物。许多科学家相信,类似的地点正是地球上所有生命的发源之地。

很显然,NASA的口头禅一直是“跟着水走”,而木卫二正是有水存在地方。但是,生命所需的要素不止于此。它还需要能源,此外还有构建生命所需的化学元素。火山循环木卫二海底岩石的过程可以提供这些要素。然而,要想让生命在木卫二上广泛散播,光有热液喷口是不够的。在地球迷失之城热液区所发现的生命形式,实际上还依赖于溶解在水中的氧。在地球上,氧气来自于以太阳为能源的生命。于是,科学家想知道,在木卫二上是否有另一种方式来获得氧气。

为此,JPL的科学家制造了一个“罐中的木卫二”。实验室实验让天文学家有能力在微小的冰样本上复制出木卫二的温度、压强和辐射条件。伽利略号在木卫二表面上的一个地方观测到了过氧化氢(H2O2)。因此,科学家在实验室中演示了木卫二表面上这一化学成分如何形成并最终分解成氧气(O2)的过程。最后,他们还利用夏威夷的凯克望远镜测量了过氧化氢在木卫二上的分布。此外,天文学家还研究了木卫二破裂表面上显眼的奇怪颜色。他们发现,黄褐色的条纹实际上是木星辐射轰击盐所发生的副产品。换句话说,它们其实是木卫二表面上被破坏而变色的海盐。

狩猎白鲸

为了对木卫二上的盐进行更为深入的研究,天文学家想出了办法,用凯克望远镜来实现分辨率甚至比“伽利略”还高的观测。他们的研究被戏称为是寻找木卫二上的白鲸。

当天文学家把新的数学方法用于凯克望远镜的观测时,这头白鲸跃出了水面。他们对光谱数据进行处理的时候,发现木卫二上有一个区域,其化学成分有别于其他的地区。这些化学成分究竟是什么,目前仍然不明。天文学家怀疑,它们是因冰雪融化而新近被循环到木卫二表面上的盐。

在地球上,它会是沙漠中的盐滩。在木卫二上,这些盐很可能来自于与海底岩石的相互作用。对其进行采样,可以为天文学家提供一条捷径,去研究冰层下方的深海以及有关的过程。西波伊斯地区是其中最亮的区域,这使之成为了着陆和探测的主要地点。这一新发现有助说服NASA为目前的木卫二任务增加一个着陆器。

着陆,还是不着陆?

木卫二探测任务受到了美国国会的高度支持,甚至为之立法确保资金到位。该任务的科学家和工程师会定期与国会议员开会,沟通项目进展和所面临最根本的问题。

着陆器作为去木卫二上寻找生命的最后一个部件,在NASA内部也遭致了不同的意见。NASA一开始并没有打算要把着陆器包括在任务中,但美国国会执意要这么做。美国国会认为,为了正确地执行木卫二探测任务,科学家就必须要能够直接去探测生命。于是,JPL获得了一项资助,来研究把一个着陆器连接到当前飞掠任务上的可行性。

美国国会在2016年拨款1.75亿美元用于研发飞掠探测器和着陆器。甚至在美国白宫为该项目亮起绿灯之前两年,美国国会就开始资助这一任务的研发。这使得NASA在2015年把它从前期项目改为正式立项。

很显然,这一做法既会赢得盟友,也会遭致反对。最近,NASA行星科学的预算增加了近13%。尽管如此,为了确保NASA会根据计划把资金用于木卫二任务,最新的开支法案并没有允许把这笔钱用于木卫二着陆器的研发。美国国会要求,木卫二任务要使用NASA新的空间发射系统(SLS)来发射,最早的发射时间为2022年。

SLS的作用至关重要,因为它可以发射复杂且庞大的探测器。若使用威力较小的阿特拉斯火箭,则需要6年多的时间才能抵达木卫二,届时该项目绝大多数的科学家都接近或者超过了退休年龄。

木卫二上水蒸气喷发的艺术概念图。根据哈勃空间望远镜分光观测的结果,喷发出的羽状物高度可达200千米,此后可能会凝固重新落回到木卫二的表面之上。这些喷发现象也暗示,在木卫二的冰层之下存在液态水。版权:NASA/ESA/K. Retherford/SWRI

新的使命

如果没有着陆器,木卫二任务将无法回答天文学家和公众最想要知道的问题。从轨道上和飞掠的过程中,确实可以对宜居性进行评估,但要获得令人信服的生命迹象的证据,最终还是必须要着陆到木卫二的表面。然而,飞掠任务之所以能成行,正是因为其创新性的方案和低廉的成本。NASA对于增加一个着陆器十分审慎,毕竟这可能会需要额外的10亿美元。

不过,工程师想出了让所有人都大吃一惊的方案。着陆器也许不必如此前预期的那样“坚韧”。根据拟议的方案之一,着陆器将和飞掠探测器一同前往木星,然后在木卫四附近进入休眠状态,那里可以远离强烈辐射。待飞掠探测器对木卫二的表面完成勘测之后,再派遣着陆器。

然后,着陆器将利用为火星开发的两项成功技术。“天空升降机”可以把着陆器向下送至冰面附近,而后充气气囊会确保着陆器安全触地。不过,天空升降机技术会使用反推火箭,这会从化学上改变木卫二的表面物质。

目前的着陆器设计是为期10天、使用电池供电的任务,但科学家正在考虑增加太阳能电池板来延长它的寿命。着陆器所携带的有效载荷仍然要经过竞争流程来确定。不过,初始的方案包括了一台可以用来探测有机物的气相色谱质谱仪和一台红外分光仪。

支持一方的观点是,既然已经走了这么长的路,投入了大量的资金和人力,为什么不再多加一台仪器去检验那里的海洋中是否有生命呢?

当然,做出最后决定所需考量的因素远不止科学本身。在这一任务完成十年之后,后续的探测器也许会试图冒险进入木卫二的海洋,去寻找那里的热液喷口。从木卫二探测任务上学到的经验,也将会惠及对其他卫星上海洋的探测任务。(编辑:Steed)

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