奔向比火星更遥远的地方

兰顺正

2021年6月12日，中国航天局在新闻发布会上，向媒体正式发布了“十四五”及未来一个时期发展的重点规划。根据公布的消息，中国拟于2028年实施火星取样返回任务。同时，还将在2029年实施木星系及行星际穿越探测任务。显然，未来有关木星的探测任务将会再次成为世界航天界的热点之一。

角落里的大个子

木星是太阳系中最大的行星，其赤道半径约为71 400千米，体积足以容纳1316个地球;质量是地球的318倍，比太阳系其他所有行星加起来还要重2.5倍。其轨道距离太阳77 800万千米，公转一周大约需要12个地球年，但自转一周仅需要9小时50分30秒。作为一颗气态巨行星，木星由90% 的氢和10% 的氦组成，还有极微量的其他气体，包括甲烷和氨。木星大气层厚约1000千米，其星球表面则是由液态氢形成的深约1.6万千米的海洋。

这些年来，月球、火星乃至金星探测都十分火热，大量探测器频繁光临这些星球。而与之相比，由于木星探测任务的飞行时间更长，轨道更复杂，制导、控制难度更大，技术要求更高。因此，木星可谓长期居于角落，人类迄今对木星的探测任务次数屈指可数。

从20世纪70年代起，人类先后发射了先驱者10号、11号，旅行者1号、2号等8个探测器，但其中大部分对木星只是兼顾，在路过时顺便获取图像和数据。1989年发射的伽利略号是人类首个专门面向木星的探测器。它于1995年12月抵达木星环绕轨道，對木星开展了近8年的研究，最终坠入木星大气层焚毁。

目前仍在木星附近工作的是朱诺号，该探测器是美国航空航天局（NASA）实施新疆界计划的第二个探测项目，于2011年8月5日升空，历时5年飞行，于2016年7月4日成功进入环木星轨道。朱诺号携带了微波辐射计、红外线成像光谱仪、引力/无线电研究设备、矢量磁强计和彩色相机等9种主要仪器，主要探测木星强大的磁场和极光如何产生;通过测量木星大气层中氨气及水分的总量，判定其是否拥有固态核心;绘制木星的引力场与磁场，拍摄木星及其卫星的静态图像与视频等。

虽然一直以来，木星探测任务较少，但探索木星同样有巨大价值。

太阳系形成初期，太阳系中心的行星由于受辐射太强，气体物质会剧烈沸腾并蒸发，只会存留在距离太阳较远的区域，它们有些被外行星吸收，形成巨大的气体行星，有些结成了冰覆盖在最外的小星体表面。而木星大气则堪称是太阳系形成初期情况的“化石”。

现在，科学家已经建造了一套太阳系行星形成理论，并根据理论模拟了不同元素随着太阳距离变化的分布。通过分析木星表面大气成分，便可验证确认该理论是否正确，而且也十分有助于加深对太阳系的了解。

同时木星上的氢含量极高，是一座能源宝库。由于氢的同位素氘和氚都是热核反应的重要原料，而这些元素在地球上含量又很少，所以开发木星上的氢资源既可解决人类能源问题，有助于可持续发展，又能将其用作核火箭的燃料，以便实现星际航行。

尤其值得注意的是，木星目前已知拥有67颗卫星，可以说是一个小太阳系，而其中的四颗大型卫星具有很大的开发价值。

以名为欧罗巴的木卫二为例，其与木星之间的平均距离为670 900千米，为第二近。木卫二直径3100千米，绕木星公转一周需要3天半的时间。和其他星球相比，木卫二是以“外星生命”而闻名。

早在1979年，经旅行者2号和旅行者1号的探测，科学家发现木卫二就像个冰与奶油、巧克力混合的球体，表面上分布着弯曲的条纹。当时的研究认为，该卫星表面覆盖着5千米厚的冰层，冰层下面可能有一片深达50千米的海洋，而且海洋中有可能存在生命。这一研究结果在当时立刻引起了科学界的关注，自此木卫二成了各界探索地外生命的重点天体。

从目前的探测结果来看，这颗星球呈现冰壳状，表面裂缝交错，这说明冰层曾受到巨力的作用。科学家们研究后认为，这种力是由木卫二和木星及其他3颗卫星之间的引力形成的潮汐力，其作用不仅造成了木卫二的表面特征，还使木卫二内核很热，大量热能从火山口或热泉眼喷发出来，导致表面部分冰层融化，使其内部的水以液态存在。而且冰层之下的海洋水一部分被蒸发变成水蒸气，并通过一些喷孔飘到了大气之中，最后在太阳的作用下产生化学反应，使木卫二的大气层中出现了氧气。

2013年12月11日，NASA 宣布，木卫二表面发现的黏土质矿物可能孕育生命。2016年9月26日，NASA 发现木卫二有水汽喷发。现在科学界普遍认为，木卫二内部有一个金属核，核外是石质的壳，壳外是液态水海洋，海洋表面是冰层，该卫星有极大的可能孕育生命。

目前，NASA的下一代木星探测器“欧罗巴快船”正在准备中，预计探测器将在2023年发射。这个探测器重达6吨，最核心的任务是对木卫二进行全方位的勘测，甚至可能携带降落器到木卫二的冰层上进行进一步考察。按计划，当“欧罗巴快船”2030年到达目标时，该航天器会绕木星轨道飞行，将在距离木卫二表面16～1700英里（约25～2700千米）的高度进行45次近距离飞越，对木卫二表面进行详细调查，并对其稀薄的大气进行采样。

鉴于探测木星意义重大，中国科学界在此前出版的《2016—2030年空间科学规划研究报告》中，就已经提出了木星系统探测计划。该计划的科学目标包括研究木星磁层结构，木星卫星木卫二的大气模型，木卫二表面的冰层形貌及厚度，金星、地球、木星间的太阳风结构。同时，计划中还提出对地球生命的地外生存状态及演变特性进行研究，指出要开展木星系统探测器在行星际飞行期间，以及木星系统探测期间的微型遥测遥控生物试验，观测并研究地球生命在不同空间段的生命状态、适应性反应及变化过程。

根据此次的消息，国家航天局今后还将陆续公布这些任务的国际合作计划，秉持“共商、共建、共享”理念，与国际同行一起密切协作，共同探索宇宙的奥秘。

同时，“天问一号”火星任务总规划师张荣桥也在记者会上表示，除了其科学价值外，对木星的探测还将导致新发明和技术的发展。“这样的任务需要我们为寿命更长的航天器开发新技术，更好地跟踪和控制以及改进能源，”他解释说，“总而言之，它将大大推动我们的太空探索能力。”