juice：派往探索木星冰卫星的使者已启程！
来源： 科普中国 发布时间：2023-04-19
出品：科普中国
作者：李臻臻（中国科学院上海天文台） 隋元（上海诺思兰顿学校）
监制：中国科普博览
北京时间2023年4月14日20时14分，欧洲空间局（简称欧空局）成功将木星冰月探测器（jupiter icy moons explorer, 缩写juice），通过搭载阿丽亚娜5号运载火箭，于法属圭亚那太空港发射升空。
按照计划，juice将经过8年的太空旅行，于2031年抵达木星系统。届时，juice将对木星及其周围的三颗冰卫星（木卫二、木卫三和木卫四）开展探测，研究木星的大气层和磁场、冰卫星表面的冰壳及化合物成分，并探寻冰卫星可能存在的生命。
juice搭载的航天器
（图片来源：欧空局）
juice发射现场
（图片来源：esa/cnes/arianespace）
人类的探索旅程：从遥望到“登门”
作为最容易被肉眼看到的天体之一，木星很早就被人们发现了，而木星周围的卫星却难以通过肉眼被直接看到。
1610年，意大利天文学家伽利略将自制的天文望远镜指向木星，首次发现木星周围存在4颗卫星。这个发现（除了地球，其他行星也有卫星），在当时对人们的认知产生了巨大的冲击，并促进了后来科学思想的萌芽和发展。
为致敬伟大科学家伽利略的壮举，此次发射的juice航天器的背面特意安装了一块纪念伽利略的牌匾。
通过望远镜的观测，人们对木星及其卫星系统已经有了许多了解。木星是太阳系中体积最大（相当于1321个地球）、质量最重（是其他七大行星质量总和的2.5倍）的行星。巨大的质量使得木星拥有数目众多的卫星（截至目前已知的有92颗）。其中木卫一、木卫二、木卫三和木卫四，由早年伽利略发现，后被称为伽利略卫星；其他的卫星暗得多，需要通过较大口径的望远镜才能看到。
时至今日，我们对地球邻居木星系统的了解，不再局限于在地球上通过望远镜远远地观望，而是可以通过发射探测器抵达木星“登门拜访”，在现场勘查并将当地的情况通过无线电传送回地球。
近几十年来，人类通过发射一系列航天器，已经对木星进行了多次探测。这些探测始于20世纪70年代美国宇航局（nasa）的“先驱”计划。目前仍在进行的探测包括nasa的“朱诺”和“木卫二”任务，以及欧洲航天局的“尤斯”号。
木星探测进程的时间轴
（图片来源：欧空局；中文翻译由作者添加）
这些探测器大大丰富了人们对木星及其卫星系统的了解。这些派往木星的信使向我们描述了以下信息：木星大部分是液态和气态的，那里有极端多变的大气层、大规模雷暴、很强的磁场；木星的卫星存在液态水海洋、地下水、活火山等迹象。这些迹象提示我们，木星及其周围的卫星，可能存在适合生命存活的栖息地。
juice的旅程规划
按照计划，juice发射升空后，将于2031年7月进入木星的轨道，在2034年底将进入木卫三的轨道，这将是人类航天器首次对我们地球自己的卫星以外的卫星进行的环绕飞行。
juice飞往木星系统的旅程规划
（图片来源：欧空局；中文翻译由作者添加）
juice不是直接飞向木星，而是将经历曲折的旅程。juice沿途将飞越多颗行星和卫星，借助这些天体的引力，改变飞行轨道并获得加速，以节省飞行器的燃料。
juice飞往木星系统的想象图
（图片来源：欧空局）
木星到太阳的距离约是日地距离的5倍，在木星周围接收的太阳能将比在地球上少很多。为尽可能多的获取太阳的能量，juice搭乘的航天器拥有85平方米的巨大太阳能电池板，是有史以来为行星际航天器建造的最大太阳能电池板。
最后，juice在完成其历史使命后，将在木卫三上销毁。
juice的装备和技能
juice重约6吨，携带了包括光学照相机、质谱仪、雷达探测器和磁力仪等多种科学仪器，将对木星及其冰卫星开展多方面的探测。
juice携带的质谱仪将对木星三颗卫星的大气表面和内部进行探测。当木星卫星冰壳裂缝中喷出海水时，juice将进行实时取样，分析其中可能表明生命存在的有机分子。
juice采集木星卫星冰壳喷出的海水示意图
（图片来源：欧空局）
juice携带的雷达可以穿透至少9千米厚的冰层。如果卫星表面的冰壳足够薄，雷达可能会探测到冰壳下的海洋，或者至少探测到嵌入冰中的地下水囊。这些地下水囊的喷发，可能是导致木星卫星出现裂隙景观的原因。
juice探测木星卫星表面冰壳示意图
（图片来源：欧空局）
juice的科学任务
juice将致力于解决5个首要科学疑问。
1.木星卫星的海洋世界是什么样的？
木星周围有3个卫星,其结冰的地壳之下可能隐藏着大量的液态水。这些海洋有多深?海水是咸水还是淡水？juice将探测这些卫星的冰壳和隐藏的海洋层，理解它们形成的条件机制。
2.木卫三为何如此独特？
在木星的这3个冰卫星中，探测木卫三是juice的首要科学目标。木卫三是太阳系中最大的卫星，也是唯一一颗具有内禀磁场的卫星。
木卫三为研究冰世界的特性提供了理想的天然实验室。juice将专注于这颗卫星，同时比较对木卫二和木卫四的观测。作为第一个在冰海卫星轨道运行的宇航探测器，juice将使用其10套先进的仪器来测量木卫三的旋转、重力场、形状、内部结构、磁场和物质成分等。juice还将调查木卫三大气中的水气和其他物质，以充分了解该卫星空间环境发生的过程。
juice对木星系统巡视的想象图
（图片来源：欧空局）
3.木星系统中是否存在生命？
juice的核心探测目标之一是确定木星的卫星是否能够提供适宜生命存在的环境。
木星作为一颗气态巨行星，不适合生命存在，而木星周围卫星的冰壳下则可能存在液态水海洋。作为太阳系中最大的卫星，木卫三可以用自身磁场来屏蔽太空辐射。同时，木卫三与木星的引力相互作用，可以通过潮汐加热机制获得能量。而这些环境因素正是生命存活所需要的条件。
由于木卫三具备的这些环境要素，人们对这颗冰卫星可能存在生命迹象充满着期待。木卫三海洋的环境，可能与我们地球深海海底的环境类似。鉴于在地球深海海底没有阳光，却仍然存在依靠海底火山、热泉获取能量的生物，那么木卫三海洋世界也有有生命存在的可能性。
juice将对木星的3颗冰卫星的隐藏海洋、磁场、加热过程、潮汐效应、轨道、表面活动、内核成分、大气和太空环境进行探测，确定是否存在生命所必需的条件。juice的高分辨率定位有助于寻找冰卫星海洋世界中生物必需的、重要的元素。
juice对木星卫星冰壳及化合物成分的研究甚至超出对木星系统本身的研究，因为这样的研究可以帮助人类了解整个宇宙中“冰雪世界”对生命存在的普遍宜居性。
4.木星与其卫星的复杂环境是如何相互影响塑造的？
木星具有强大而独特的重力场、磁场和等离子体环境。其中，了解行星复杂的磁环境仍然是太阳系悬而未决的奥秘之一，也是juice旨在解决的一个问题。juice还将研究木星复杂的引力环境，了解木星与其卫星之间的潮汐相互作用，以及卫星轨道动力学之间的关系。
总的来说，juice将探讨木星环境的不同方面是如何耦合在一起的。这不仅可以帮助我们揭示更多关于太阳系的知识，也有助于我们更好地理解宇宙中的其他行星系统。
5.经典气态巨行星是什么样的？它是如何形成，以及如何发挥作用的?
木星系统是太阳系中气态巨星的原型，也是许多太阳系之外其他恒星系中气态巨星的原型。juice的一个主要目标是理解气体巨行星及其卫星是如何形成和演化的。
探讨木星及其卫星的起源、历史和演化，有助于理解行星系统如何随时间演化，以及揭示其他恒星周围的木星系统可能存在的宜居环境。
总的来说，juice对木星系统研究的更广泛意义，在于理解普遍行星系统如何像木星系统那样工作。
结语
“浩瀚星空，探索永无止境”。从400多年前伽利略通过望远镜发现木星卫星系统，到现在发射探测器抵达木星卫星绕行巡视，人类对宇宙的认识在不停前进。期待juice顺利完成预定科学任务，并给我们传回木星世界新的消息。
参考文献：
【1】esa. juice-jupiter icy moons explorer[eb/ol]. [2023年4月13日].
【2】esa. journal archive of juice[eb/ol]. [2023年4月13日].
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