木卫二或成为我们找到外星生命的最佳机会

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发布日期:2017年03月28日 所属分类:新知

在历时20年的研发和“心碎”之后,对木卫二的探索终于即将拉开帷幕。这是否将成为我们在太阳系中找到外星生命的最佳机会呢?

木卫二是一颗冰封的星球,仅比月球稍小一点儿。从远处望去,木卫二上仿佛镌刻着许多暗色的条纹,就像幼儿的涂鸦一样。而靠近了看,它们其实是冰面上长长的裂隙,有时可绵延数千公里。许多冰隙中充满了一种未知的污染物,被科学家称作“棕色浆糊”。除这些冰隙之外,其它地方则地形多变、崎岖不平。

木星的巨大引力产生的潮汐力使木卫二周期性地拉伸与扩张。但木卫二的地表之所以如此崎岖多变,主要还是因为这层冰壳漂浮在液态水构成的海洋之上。

木卫二或成为我们找到外星生命的最佳机会

在木卫二崎岖不平、冰天雪地的地壳下方,有一片巨大的海洋。

“我们从此前的探索任务中得知,木卫二冰壳下方存在液态水,因此木卫二是最激动人心的寻找地外生命目标之一。”伦敦大学学院马拉德(Mullard)太空科学实验室的安德鲁·科茨教授(Prof Andrew Coates)指出。

木卫二的液态水可能深达地表下方80至170米,意味着木卫二上的液态水储量很可能是地球上全部海水总和的两倍。

水对于生命至关重要,而除此之外,木卫二海洋中也许还存在其它物质,如微生物的能量来源等。不仅如此,这片地下海或许还能通过多种途径与地表相连,如从冰壳中冒出的、温度较高的少量冰屑。因此,对木卫二地表的探索或能帮助我们更好地了解其地下海状况。

目前,NASA正在筹备两项木卫二探索计划,并在于休斯顿举行的第48届月球与行星科学大会上开展了相关讨论。

第一项任务名叫“木卫二快艇”(Europa Clipper),预计将于2022年启动。第二项任务则计划登陆木卫二表面,预计于几年之后开展。

木卫二或成为我们找到外星生命的最佳机会

“木卫二快艇”号探测器将至少开展45次近距离飞掠木卫二行动。

NASA喷气推进实验室“木卫二快艇”项目科学家罗伯特·帕帕拉多博士(Dr Robert Pappalardo)表示:“我们正在探索木卫二宜居的可能性,寻找水和能量来源等生命必备物质。为达到这一目的,我们将分析地下海和冰壳的组成成分和地质构造。”

“木卫二快艇”探测器将携带九台设备,其中包括用来拍摄木卫二表面的摄像机,用来分析其成分的质谱仪,可穿透冰层寻找地下水、并对冰壳开展三维测绘的雷达,以及用来分析海洋特征的磁力计。

不过,自从伽利略号探测器于上世纪90年代发现木卫二存在地下海的证据以来,我们逐渐了解到,木卫二并非独一无二。

“在过去十年间,我们发现太阳系外层存在海洋的星球并不鲜见,这是行星探测界最重要的发现之一。”“木卫二快艇”项目科学家科特·涅伯博士(Curt Niebur)指出。

例如,土卫二南极就有冰屑从冰隙中喷出。

木卫二或成为我们找到外星生命的最佳机会

木卫二的分层结构。

科学家计划在2020年之后也对土卫二开展探测任务,但涅伯认为木卫二的价值更加突出:“木卫二比土卫二大得多,内容也更加丰富,有更多的地质活动、更多的水、更大的储水空间、更多热量、更丰富的物质、环境也更加稳定。”

但最重要的是,木卫二有着更理想的周边环境。其轨道深入木卫二强大的磁场中,因此能够困住并加速宇宙粒子。这一过程中形成的高强辐射带对于探测器的电子元件危害巨大,因此开展任务的时间大大受限,仅能持续几月、甚至几周。这些辐射也对木卫二地表造成了影响,促进了氧化物的产生。而在地球上,氧化物与还原化合物间发生的氧化还原反应恰好为生命提供了所需的能量。

不过,木卫二地表生成的氧化物只有进入地下海、才能为微生物所用。好在使地下水上涌的对流过程也能将地表物质带入地下。进入地下海之后,氧化物便可与海水和岩床反应生成的还原物发生化学反应。

“这就像电池供电,阴阳两极都必不可少。”帕帕拉多解释道。

对于帕帕拉多等科学家而言,这些计划中的任务意味着二十年来的梦想即将实现。自从上世纪90年代探索木卫二的概念诞生以来,科学家就不断提出各种野心勃勃的提议,最终却纷纷折戟。

美国和欧洲甚至曾计划向木卫二和木星最大的卫星木卫三分别派遣探测器。但由于经费问题,这一计划不得不取消。

“18年来,每次有人提出木卫二探索计划,我都默默祈祷,最终却只能看着计划流产。”科特·涅伯表示。“这条道路无比漫长,使我们屡屡心碎。”

虽然探索木卫二的成本不会高出卡西尼号和好奇号探测器,但依然代价不菲。

科学家首先要解决机械挑战,如仪器在木星辐射带中的运行问题。探测器设备必须用钛之类的金属隔离起来,但帕帕拉多博士指出,仪器不能被保护得太严密,否则就无法探测木卫二。

因此为保障探测器安全,NASA不得不改变行动路线。“我们原本认为,既然伽利略号已经飞掠了木卫二,下一项任务自然是发射轨道探测器。”涅伯表示。但“木卫二快艇”探测器为减少辐射,将采用围绕木星飞行的方式,在三年半时间里,至少开展45次近距离飞掠木卫二行动。“

“我们可以绕开围绕木卫二飞行带来的技术问题,提高任务可行性,同时通过增加飞掠次数,取得同样的探测结果。”参与该项目的科学家指出。

木卫二附近的光照强度仅有地球上的30分之一。但NASA仍计划采用太阳能电池板为其供能,而不是其它太阳系外层探测任务使用的放射性发电机。

“多年的研究工作使我们不得不抛却之前的想法,沉湎于美好的梦想,而是专注于现实,专注于最卓越的科学技术。”涅伯说道。

2011年,美国与欧洲的合作任务取消之后,国家研究委员会发布的一项报告重申了探索木卫二的重要性。即便如此,经费问题仍使NASA对此持谨慎态度。

但美国国会的支持改变了局面。对木卫二的探索获得了民主党与共和党的共同支持。共和党国会议员约翰·科尔伯森(John Culberson)是众议院拨款委员会的主席,NASA经费便在该机构的管辖范围之内。现年60岁的科尔伯森就读高中时曾用自己购买的望远镜眺望过木卫二,自此之后就一直对其神往不已。四年来,虽然NASA并未提出要求,但他领导的委员会不断向参与木卫二研究的科学家拨款。

木卫二或成为我们找到外星生命的最佳机会

“木卫二快艇”号探测器或能确定木卫二上是否存在生命。

有了慷慨的投资,“木卫二快艇”技术问题的解决速度很快超过了其它任务处在该阶段(B阶段)时的情况。登陆器仍处于研发早期阶段(即早期A阶段),但针对该任务科学价值的报告已经在月球与行星科学大会上进行了讨论。

该登陆器并未得到美国总统2018年预算拨款。但NASA行星科学部门主管吉姆·格林博士(Dr Jim Green)表示:“这项任务极其激动人心,因为它能从人类难以到达的星球表面告诉我们,人类还需开展怎样的研究。”

“我们还有很长的路要走,必须勤勤恳恳,弄清我们需要进行哪些测绘工作。未来获得了足够的资金之后,我们才能顺利开展下一步研究。”

二十年来,科学家提出了许多新颖的木卫二登陆器设计方案,说明登陆木卫二将使我们收获颇丰。马拉德太空科学实验室的格林特·琼斯博士(Dr Geraint Jones)针对其中一种名叫“穿透器”的设计进行了研究。

“这一技术还未实际采用过,但可行性很高。”琼斯博士解释道。该探测器将被卫星弹射出来,“以每秒300米的高速重重砸向木卫二表面,”从而使内部冰层暴露在外,供仪器进行分析。当然,这些仪器经过了特殊设计,能够承受剧烈撞击。

而NASA设计的登陆器将采用2012年好奇号登陆火星时运用的“空中吊车”技术,缓慢降落在木卫二表面。着陆时,登陆器将开启自动着陆系统,实时监测地面情况,避开危险因素。

“木卫二快艇”探测器可从空中确定合适的着陆地点。“它可以寻找地下水距地表较近的区域,也许这些地方温度较高、还存在有机物。”帕帕拉多表示。

该探测器将配备高敏仪器,还将配有一台反旋锯,用来钻取木卫二地表冰层下方的样本。

“登陆器的目标是获取全新的研究样本,这可以通过两种方法实现,一是挖至地下深处,二是寻找地表有喷射活动的区域,因为这些地质活动会将新鲜的地下物质带到地表。”科特·涅伯说道。

近年来,哈勃望远镜在木卫二和土卫二表面都观测到过冰屑从地下喷出的现象。但这些喷发现象时间过于久远,将登陆器派往此处毫无意义,我们需要寻找更近期的喷发地点。

因此,科学家需要弄清这些间歇性的喷发现象究竟由何种因素控制。“木卫二快艇”号探测器将确定它们是否与木卫二地表温度较高的热点区域有关。

地球的海洋中生机盎然,因此我们可能很难想象木卫二地下深达100公里、毫无生机的海洋是怎样一番光景。而假如那里真的存在外星生命,我们真的能辨别出来吗?

“此次登陆器任务的目标不仅是探测到外星生命,还需要让大家相信我们做到了这一点,”涅伯解释道,“如果我们耗费巨资、结果反而引发了巨大争议,可不是什么好事。”

因此,该项目团队用了两天时间,专门说明这一问题。首先,任何探测结果都必须以通过直接测量得到的大量独立证据为基础。

“这件事不能一蹴而就。你不能开展了一次测量之后就宣称自己找到了外星生命,只有整体结果才能说了算。”涅伯指出。

其次,科学家提出了对观测结果的解读框架。有些结果可能是正面的,有些则可能是负面的。“这一框架构建了包含各种结果的决策树。最终得到的结论要么是‘我们找到了外星生命’,要么是‘我们没找到外星生命’”。

如今,该团队还在拭目以待,期待科学界被他们的计划打动。

科特·涅伯解释道:“我希望相关探讨能够早日开展,这样等登陆器抵达木卫二表面时,我们就可以专注于数据分析了。”(新浪科技)

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