出品：科普中國
作者：李臻臻（中國科學院上海天文臺） 隋元（上海諾思蘭頓學校）
監制：中國科普博覽
北京時間2023年4月14日20時14分，歐洲空間局（簡稱歐空局）成功將木星冰月探測器（Jupiter Icy Moons Explorer, 縮寫JUICE），通過搭載阿麗亞娜5號運載火箭，于法屬圭亞那太空港發射升空。
按照計劃，JUICE將經過8年的太空旅行，于2031年抵達木星系統。屆時，JUICE將對木星及其周圍的三顆冰衛星（木衛二、木衛三和木衛四）開展探測，研究木星的大氣層和磁場、冰衛星表面的冰殼及化合物成分，并探尋冰衛星可能存在的生命。
JUICE搭載的航天器
（圖片來源：歐空局）
JUICE發射現場
（圖片來源：ESA/CNES/Arianespace）
人類的探索旅程：從遙望到“登門”
作為最容易被肉眼看到的天體之一，木星很早就被人們發現了，而木星周圍的衛星卻難以通過肉眼被直接看到。
1610年，意大利天文學家伽利略將自制的天文望遠鏡指向木星，首次發現木星周圍存在4顆衛星。這個發現（除了地球，其他行星也有衛星），在當時對人們的認知產生了巨大的沖擊，并促進了后來科學思想的萌芽和發展。
為致敬偉大科學家伽利略的壯舉，此次發射的JUICE航天器的背面特意安裝了一塊紀念伽利略的牌匾。
通過望遠鏡的觀測，人們對木星及其衛星系統已經有了許多了解。木星是太陽系中體積最大（相當于1321個地球）、質量最重（是其他七大行星質量總和的2.5倍）的行星。巨大的質量使得木星擁有數目眾多的衛星（截至目前已知的有92顆）。其中木衛一、木衛二、木衛三和木衛四，由早年伽利略發現，后被稱為伽利略衛星；其他的衛星暗得多，需要通過較大口徑的望遠鏡才能看到。
時至今日，我們對地球鄰居木星系統的了解，不再局限于在地球上通過望遠鏡遠遠地觀望，而是可以通過發射探測器抵達木星“登門拜訪”，在現場勘查并將當地的情況通過無線電傳送回地球。
近幾十年來，人類通過發射一系列航天器，已經對木星進行了多次探測。這些探測始于20世紀70年代美國宇航局（NASA）的“先驅”計劃。目前仍在進行的探測包括NASA的“朱諾”和“木衛二”任務，以及歐洲航天局的“尤斯”號。
木星探測進程的時間軸
（圖片來源：歐空局；中文翻譯由作者添加）
這些探測器大大豐富了人們對木星及其衛星系統的了解。這些派往木星的信使向我們描述了以下信息：木星大部分是液態和氣態的，那里有極端多變的大氣層、大規模雷暴、很強的磁場；木星的衛星存在液態水海洋、地下水、活火山等跡象。這些跡象提示我們，木星及其周圍的衛星，可能存在適合生命存活的棲息地。
JUICE的旅程規劃
按照計劃，JUICE發射升空后，將于2031年7月進入木星的軌道，在2034年底將進入木衛三的軌道，這將是人類航天器首次對我們地球自己的衛星以外的衛星進行的環繞飛行。
JUICE飛往木星系統的旅程規劃
（圖片來源：歐空局；中文翻譯由作者添加）
JUICE不是直接飛向木星，而是將經歷曲折的旅程。JUICE沿途將飛越多顆行星和衛星，借助這些天體的引力，改變飛行軌道并獲得加速，以節省飛行器的燃料。
JUICE飛往木星系統的想象圖
（圖片來源：歐空局）
木星到太陽的距離約是日地距離的5倍，在木星周圍接收的太陽能將比在地球上少很多。為盡可能多的獲取太陽的能量，JUICE搭乘的航天器擁有85平方米的巨大太陽能電池板，是有史以來為行星際航天器建造的最大太陽能電池板。
最后，JUICE在完成其歷史使命后，將在木衛三上銷毀。
JUICE的裝備和技能
JUICE重約6噸，攜帶了包括光學照相機、質譜儀、雷達探測器和磁力儀等多種科學儀器，將對木星及其冰衛星開展多方面的探測。
JUICE攜帶的質譜儀將對木星三顆衛星的大氣表面和內部進行探測。當木星衛星冰殼裂縫中噴出海水時，JUICE將進行實時取樣，分析其中可能表明生命存在的有機分子。
JUICE采集木星衛星冰殼噴出的海水示意圖
（圖片來源：歐空局）
JUICE攜帶的雷達可以穿透至少9千米厚的冰層。如果衛星表面的冰殼足夠薄，雷達可能會探測到冰殼下的海洋，或者至少探測到嵌入冰中的地下水囊。這些地下水囊的噴發，可能是導致木星衛星出現裂隙景觀的原因。
JUICE探測木星衛星表面冰殼示意圖
（圖片來源：歐空局）
JUICE的科學任務
JUICE將致力于解決5個首要科學疑問。
1.木星衛星的海洋世界是什么樣的？
木星周圍有3個衛星,其結冰的地殼之下可能隱藏著大量的液態水。這些海洋有多深?海水是咸水還是淡水？JUICE將探測這些衛星的冰殼和隱藏的海洋層，理解它們形成的條件機制。
2.木衛三為何如此獨特？
在木星的這3個冰衛星中，探測木衛三是JUICE的首要科學目標。木衛三是太陽系中最大的衛星，也是唯一一顆具有內稟磁場的衛星。
木衛三為研究冰世界的特性提供了理想的天然實驗室。JUICE將專注于這顆衛星，同時比較對木衛二和木衛四的觀測。作為第一個在冰海衛星軌道運行的宇航探測器，JUICE將使用其10套先進的儀器來測量木衛三的旋轉、重力場、形狀、內部結構、磁場和物質成分等。JUICE還將調查木衛三大氣中的水氣和其他物質，以充分了解該衛星空間環境發生的過程。
JUICE對木星系統巡視的想象圖
（圖片來源：歐空局）
3.木星系統中是否存在生命？
JUICE的核心探測目標之一是確定木星的衛星是否能夠提供適宜生命存在的環境。
木星作為一顆氣態巨行星，不適合生命存在，而木星周圍衛星的冰殼下則可能存在液態水海洋。作為太陽系中最大的衛星，木衛三可以用自身磁場來屏蔽太空輻射。同時，木衛三與木星的引力相互作用，可以通過潮汐加熱機制獲得能量。而這些環境因素正是生命存活所需要的條件。
由于木衛三具備的這些環境要素，人們對這顆冰衛星可能存在生命跡象充滿著期待。木衛三海洋的環境，可能與我們地球深海海底的環境類似。鑒于在地球深海海底沒有陽光，卻仍然存在依靠海底火山、熱泉獲取能量的生物，那么木衛三海洋世界也有有生命存在的可能性。
JUICE將對木星的3顆冰衛星的隱藏海洋、磁場、加熱過程、潮汐效應、軌道、表面活動、內核成分、大氣和太空環境進行探測，確定是否存在生命所必需的條件。JUICE的高分辨率定位有助于尋找冰衛星海洋世界中生物必需的、重要的元素。
JUICE對木星衛星冰殼及化合物成分的研究甚至超出對木星系統本身的研究，因為這樣的研究可以幫助人類了解整個宇宙中“冰雪世界”對生命存在的普遍宜居性。
4.木星與其衛星的復雜環境是如何相互影響塑造的？
木星具有強大而獨特的重力場、磁場和等離子體環境。其中，了解行星復雜的磁環境仍然是太陽系懸而未決的奧秘之一，也是JUICE旨在解決的一個問題。JUICE還將研究木星復雜的引力環境，了解木星與其衛星之間的潮汐相互作用，以及衛星軌道動力學之間的關系。
總的來說，JUICE將探討木星環境的不同方面是如何耦合在一起的。這不僅可以幫助我們揭示更多關于太陽系的知識，也有助于我們更好地理解宇宙中的其他行星系統。
5.經典氣態巨行星是什么樣的？它是如何形成，以及如何發揮作用的?
木星系統是太陽系中氣態巨星的原型，也是許多太陽系之外其他恒星系中氣態巨星的原型。JUICE的一個主要目標是理解氣體巨行星及其衛星是如何形成和演化的。
探討木星及其衛星的起源、歷史和演化，有助于理解行星系統如何隨時間演化，以及揭示其他恒星周圍的木星系統可能存在的宜居環境。
總的來說，JUICE對木星系統研究的更廣泛意義，在于理解普遍行星系統如何像木星系統那樣工作。
結語
“浩瀚星空，探索永無止境”。從400多年前伽利略通過望遠鏡發現木星衛星系統，到現在發射探測器抵達木星衛星繞行巡視，人類對宇宙的認識在不停前進。期待JUICE順利完成預定科學任務，并給我們傳回木星世界新的消息。
參考文獻：
【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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