奔向比火星更遙遠的地方

蘭順正

2021年6月12日，中國航天局在新聞發布會上，向媒體正式發布了“十四五”及未來一個時期發展的重點規劃。根據公布的消息，中國擬于2028年實施火星取樣返回任務。同時，還將在2029年實施木星系及行星際穿越探測任務。顯然，未來有關木星的探測任務將會再次成為世界航天界的熱點之一。

角落里的大個子

木星是太陽系中最大的行星，其赤道半徑約為71 400千米，體積足以容納1316個地球;質量是地球的318倍，比太陽系其他所有行星加起來還要重2.5倍。其軌道距離太陽77 800萬千米，公轉一周大約需要12個地球年，但自轉一周僅需要9小時50分30秒。作為一顆氣態巨行星，木星由90% 的氫和10% 的氦組成，還有極微量的其他氣體，包括甲烷和氨。木星大氣層厚約1000千米，其星球表面則是由液態氫形成的深約1.6萬千米的海洋。

這些年來，月球、火星乃至金星探測都十分火熱，大量探測器頻繁光臨這些星球。而與之相比，由于木星探測任務的飛行時間更長，軌道更復雜，制導、控制難度更大，技術要求更高。因此，木星可謂長期居于角落，人類迄今對木星的探測任務次數屈指可數。

從20世紀70年代起，人類先后發射了先驅者10號、11號，旅行者1號、2號等8個探測器，但其中大部分對木星只是兼顧，在路過時順便獲取圖像和數據。1989年發射的伽利略號是人類首個專門面向木星的探測器。它于1995年12月抵達木星環繞軌道，對木星開展了近8年的研究，最終墜入木星大氣層焚毀。

目前仍在木星附近工作的是朱諾號，該探測器是美國航空航天局（NASA）實施新疆界計劃的第二個探測項目，于2011年8月5日升空，歷時5年飛行，于2016年7月4日成功進入環木星軌道。朱諾號攜帶了微波輻射計、紅外線成像光譜儀、引力/無線電研究設備、矢量磁強計和彩色相機等9種主要儀器，主要探測木星強大的磁場和極光如何產生;通過測量木星大氣層中氨氣及水分的總量，判定其是否擁有固態核心;繪制木星的引力場與磁場，拍攝木星及其衛星的靜態圖像與視頻等。

雖然一直以來，木星探測任務較少，但探索木星同樣有巨大價值。

太陽系形成初期，太陽系中心的行星由于受輻射太強，氣體物質會劇烈沸騰并蒸發，只會存留在距離太陽較遠的區域，它們有些被外行星吸收，形成巨大的氣體行星，有些結成了冰覆蓋在最外的小星體表面。而木星大氣則堪稱是太陽系形成初期情況的“化石”。

現在，科學家已經建造了一套太陽系行星形成理論，并根據理論模擬了不同元素隨著太陽距離變化的分布。通過分析木星表面大氣成分，便可驗證確認該理論是否正確， 而且也十分有助于加深對太陽系的了解。

同時木星上的氫含量極高，是一座能源寶庫。由于氫的同位素氘和氚都是熱核反應的重要原料，而這些元素在地球上含量又很少，所以開發木星上的氫資源既可解決人類能源問題，有助于可持續發展，又能將其用作核火箭的燃料，以便實現星際航行。

尤其值得注意的是，木星目前已知擁有67顆衛星，可以說是一個小太陽系，而其中的四顆大型衛星具有很大的開發價值。

以名為歐羅巴的木衛二為例，其與木星之間的平均距離為670 900千米，為第二近。木衛二直徑3100千米，繞木星公轉一周需要3天半的時間。和其他星球相比，木衛二是以“外星生命”而聞名。

早在1979年，經旅行者2號和旅行者1號的探測，科學家發現木衛二就像個冰與奶油、巧克力混合的球體，表面上分布著彎曲的條紋。當時的研究認為，該衛星表面覆蓋著5千米厚的冰層，冰層下面可能有一片深達50千米的海洋，而且海洋中有可能存在生命。這一研究結果在當時立刻引起了科學界的關注，自此木衛二成了各界探索地外生命的重點天體。

從目前的探測結果來看，這顆星球呈現冰殼狀，表面裂縫交錯，這說明冰層曾受到巨力的作用。科學家們研究后認為，這種力是由木衛二和木星及其他3顆衛星之間的引力形成的潮汐力，其作用不僅造成了木衛二的表面特征，還使木衛二內核很熱，大量熱能從火山口或熱泉眼噴發出來，導致表面部分冰層融化，使其內部的水以液態存在。而且冰層之下的海洋水一部分被蒸發變成水蒸氣，并通過一些噴孔飄到了大氣之中，最后在太陽的作用下產生化學反應，使木衛二的大氣層中出現了氧氣。

2013年12月11日，NASA 宣布，木衛二表面發現的黏土質礦物可能孕育生命。2016年9月26日，NASA 發現木衛二有水汽噴發。現在科學界普遍認為，木衛二內部有一個金屬核，核外是石質的殼，殼外是液態水海洋，海洋表面是冰層，該衛星有極大的可能孕育生命。

目前，NASA的下一代木星探測器“歐羅巴快船”正在準備中，預計探測器將在2023年發射。這個探測器重達6噸，最核心的任務是對木衛二進行全方位的勘測，甚至可能攜帶降落器到木衛二的冰層上進行進一步考察。按計劃，當“歐羅巴快船”2030年到達目標時，該航天器會繞木星軌道飛行，將在距離木衛二表面16～1700英里（約25～2700千米）的高度進行45次近距離飛越，對木衛二表面進行詳細調查，并對其稀薄的大氣進行采樣。

鑒于探測木星意義重大， 中國科學界在此前出版的《2016—2030年空間科學規劃研究報告》中，就已經提出了木星系統探測計劃。該計劃的科學目標包括研究木星磁層結構，木星衛星木衛二的大氣模型，木衛二表面的冰層形貌及厚度，金星、地球、木星間的太陽風結構。同時，計劃中還提出對地球生命的地外生存狀態及演變特性進行研究，指出要開展木星系統探測器在行星際飛行期間，以及木星系統探測期間的微型遙測遙控生物試驗，觀測并研究地球生命在不同空間段的生命狀態、適應性反應及變化過程。

根據此次的消息，國家航天局今后還將陸續公布這些任務的國際合作計劃，秉持“共商、共建、共享”理念，與國際同行一起密切協作，共同探索宇宙的奧秘。

同時，“天問一號”火星任務總規劃師張榮橋也在記者會上表示，除了其科學價值外，對木星的探測還將導致新發明和技術的發展。“這樣的任務需要我們為壽命更長的航天器開發新技術，更好地跟蹤和控制以及改進能源，”他解釋說，“總而言之，它將大大推動我們的太空探索能力。”