奔向木星冰冷的卫星：欧洲航天局“JUICE”任务详解

我们能在太阳系中发现地球以外生命所必需的条件吗？

这就是太空任务“JUICE”（木星冰冷卫星探测器）要解开的谜团之一，该任务将于2023年4月13日星期四下午12点14分从法属圭亚那的库鲁发射。

上图：卡西尼号飞越木星及其卫星的动画图像。

为了将这一任务推进到6亿多公里外的星球，欧洲航天局（ESA）召集了至少13个欧洲国家，以及美国、日本和以色列。

通过这次任务，该机构还成功地在该项目获得许可仅11年后就将“JUICE”放上了发射台。虽然新冠大流行减缓了这一进程，但仅延迟了9个月。

其中，任务中的法国团队还帮助开发了“JUICE”10台最先进的科学仪器中的6台。该探测器预计将于2031年抵达木星系统。

拓展科学的边界

木星是太阳系中最大的行星，也是卫星最多的行星。迄今为止，它的卫星数量估计在82到95个之间，其中大多数是在过去20年里被发现的。

上图：“JUICE”任务蓝图。

“JUICE”是欧空局宇宙视野计划的一部分，也是第一个获得超过10亿欧元资金的任务。它试图解决四个主要问题：

• 行星是如何形成的，生命又是如何出现的？
• 太阳系是如何运作的？
• 宇宙的基本物理定律是什么？
• 现在的宇宙是如何形成的？它是由什么构成的？

JUICE之所以被选在其他拟议的任务之前，是因为它的目的是要解决这些问题中的第一个和最后一个。

哈勃太空望远镜和美国宇航局的太空探测器旅行者号、伽利略号和朱诺号已经通过直接观察或推断获得了一些线索。

“海洋卫星”含有比地球更多的水

1995年，美国宇航局的伽利略号探测器首次在木卫二上发现了水。据太空探测器捕捉到的数据显示，不仅在其三颗冰冷卫星木卫四、木卫二和木卫三的地壳下，而且在其火山卫星木卫一的地壳下，也存在着巨大的液体海洋。

2014年，哈勃太空望远镜在木卫二上发现了间歇泉。它们的底部似乎包裹着盐，包括碳酸盐。因此，木卫二很可能满足四个宜居标准：

• 著名的碳、氢、氧、氮四重奏（CHON），是构成生物的主要化学元素的符号。
• 作为溶剂的液态水。
• 能量使生命得以发展。
• 稳定的环境（轨道、旋转、平均温度 …… ）

伽利略卫星进一步享受木星的引力能量，产生了显著的潮汐效应，并使上述最后两个条件得以满足。

为什么木卫三（Ganymed）将是主要目标

JUICE 将对木卫三进行比木卫四和木卫二更深入的研究。这不仅是因为它是太阳系中最大的卫星，还因为它是一个拥有自己磁场的海洋卫星。

上图：木卫三的北极光带似乎沐浴在木星的磁场中。

与地球的磁层相似，木卫三的磁层也有可能通过转移木星辐射带上的宇宙射线和辐射粒子来保护生命。

JUICE，极致的探测者

JUICE 前往木星系统的行程不会是一条直线。相反，航天器将飞越四颗不同的行星和卫星，这些行星和卫星将改变并加速其轨道，使其能够节省燃料 —— 这一技巧也被称为“重力辅助机动”。

上图：JUICE前往木星系统的漫长旅程。

在此过程中，JUICE 将不得不与太阳系最高的辐射水平作斗争。这意味着它的电子模块必须装在铅屏蔽腔中，组件必须经过“硬化”，以帮助它们抵御恶劣的环境。

JUICE 还必须应对极端温度，从金星上空的+250 C到木星系的-230 C。为了保持稳定的内部温度，航天器涂上了由灰色硅铝合金制成的多层隔热层，使探测器获得了“银美人”的绰号。

能源问题

木星距离太阳的距离是地球的五倍，在木星周围，卫星接收的太阳能将比在地球周围少25倍。该航天器没有携带放射性电池，因为欧洲还不能像美国、俄罗斯和中国那样在工业上生产它们。

为了使设备和仪器能够在1000W（一个小型吹风机的功率）的情况下工作，该航天器将依赖于巨大的太阳能电池板（其表面积达85平方米），这些太阳能电池板已经过测试，能够承受辐射和温度变化。

上图：完全展开后的JUICE 探测器。

JUICE 探测器由80家欧洲公司在欧洲宇航防务集团（EADS）图卢兹公司的指导下建造，其翼展28米（一个篮球场的长度），通信天线长达2.5米（由于木星与地球的距离而需要）。

它起飞时重近6吨（其中大部分是推进剂，将在操纵探测器时消耗掉），并携带10台探测仪器（总重量不到280公斤）。

船上的十台科学仪器

在这些仪器中，法国在意大利的协助下主要设计了卫星和木星成像光谱仪（MAJIS）。该仪器将使航天器在飞越卫星时确定其表面的物理化学成分，从而探测与潜在宜居性相关的 CHON。

MAJIS 还将研究它们的冰盖和液态水。这将使我们能够为未来的原位探测确定着陆点，并评估木星大气的结构和动力学。

MAJIS 的精度比伽利略上的同类仪器高1万倍，空间分辨率从100米到几公里不等，具体取决于探测器当时的高度。

最后，应该指出的是，JUICE 的计划可能会根据 NASA 朱诺号任务的最新结果进行修订。朱诺号自2016年以来一直围绕木星飞行。

“朱诺”号的名义任务已被延长至飞越木星的卫星，从2021年6月的“木卫三”和2023年初的“木卫二”开始。这些观测和随后的数据分析将使JUICE科学家能够更好地定位他们的观测结果 —— 朱诺号12年后和伽利略号30年后。

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