全球伽利略卫星探测计划正全面开启

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木星伽利略卫星（非成比例）（Credit: NASA）

不早于本月10日，美国国家航空航天局（NASA）的欧罗巴快船（Europa Clipper）探测器将由猎鹰重型（Falcon Heavy）运载火箭发射升空，木星伽利略卫星探测正被全面开启。

欧罗巴将在2030年进入木星系，2031年和2034年欧洲的木星冰月探测器和中国的天问4号探测器也将陆续到达，全球伽利略卫星的探测和研究将进入一轮新高潮。

0、什么是木星伽利略卫星？

人类已知的木星卫星至少已经有 95 颗，但其中最著名、最引人注目的要数其中最大的被称为伽利略卫星（Galilean Moons）4 颗卫星，木卫一/爱莪（Io）、木卫二/欧罗巴（Europa）、木卫三/盖尼米得（Ganymede）和木卫四/卡利斯托（Callisto）。


NASA 朱诺（Juno）探测器捕捉到木星与木卫三（Ganymede），木卫一（Io）和木卫二（Europa）同框图。这是朱诺从 620 万公里的距离接近木星系时拍摄。图片来源：NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS

伽利略卫星的称呼来自 17 世纪意大利天文学家伽利略.加利雷（Galileo Galilei），而卫星的名称来自希腊神话。

伽利略于 1610 年首次通过望远镜观测到这 4 颗卫星。它们看起来像围绕木星的点，当伽利略看到它们的位置一夜又一夜地变化时，他推断它们是围绕着这颗巨大的行星运行的天体。


意大利天文学家伽利略.加利雷（Galilean Galilei）
伽利略卫星在科学史上非常重要，因为它们的发现推翻了当时盛行的宇宙中所有物体都绕地球运行的理论——地心说（geocentrism）。被人类首先发现绕着另一颗行星轨道运行的这 4 颗卫星并非巧合，因为它们是距离地球最近的大卫星，通过小型望远镜就可以观测到。

1、前序木星系探测

在2016年7月到达木星系的 NASA 朱诺（Juno）探测器仍在围绕木星运行，并有机会观测它的一些卫星，它将一直工作到与地球失去联系。朱诺的前辈，NASA 的伽利略探测器，从 1995-2003 年专门研究了木星及其卫星。



绕行木星的朱诺（Juno）探测器拍摄的木星表面照片，宛如梵高的《星空》。图片来源：NASA / SwRI / MSSS

当然此前还有，先锋10号和11号-Pioneer 10 & 11 （1973年和1974年）、旅行者1号和2号-Voyager 1 & 2 （1979年和1981年）、新视野号-New Horizons （2006年-）等，在执行深空探测任务过程中都在飞越木星系时进行了相应的探测。

2、新一轮木星系探测

本世纪 30 年代，对木星伽利略卫星的探测将进入一轮新高潮。将先后有 3 个探测器陆续进入木星系，重点执行伽利略卫星探测。

包括 NASA 的欧罗巴快船（Europa Clipper）、欧空局的木星冰月探测器（ESA's Jupiter Icy Moons Explorer，JUICE）、以及中国的天问4号（Tianwen-4）任务。具体安排见下表：

	探测器	主目标	入木星系	国别
1	欧罗巴快船	木卫二	2030	美国
2	木星冰月探测器	木卫三	2031	欧空局
3	天问4号	木卫四	2035	中国

这些卫星中的每一个都是一个迷人的世界，有很多东西可以让我们了解宇宙的本质以及地球之外生命的可能性。

3、木卫一/爱莪（Io）

木卫一/爱莪是木星的伽利略卫星中最里面和第 3 大的卫星。它是一个岩石卫星，也是除了地球得月球之外唯一一个大到足以形成圆形的岩石卫星。它也是太阳系中火山活动最活跃的天体，其表面几乎不断发生喷发。


1999 年，NASA 伽利略（Galileo）探测器拍摄的木卫一全球视图，贝利半球（Pele Hemisphere）。图片来源：NASA/JPL/亚利桑那大学

木卫一/爱莪由于其位置而异常活跃，它也是伽利略四颗卫星中最里面的一颗，轨道距离木星最近。

木星是太阳系中除太阳之外质量最大的天体，具有极强的引力。当木卫一/爱莪绕着木星运行时，会遭遇邻近的沿着自己的轨道运行的大卫星。当这些巨大的卫星相互经过时，会因引力产生轻微的相互拉扯。这使得它们围绕木星的轨道都有点不均匀，或称为偏心。

木卫一和木卫二在大红斑遭遇（Credit: NASA）
由于这种偏心的存在，造成木星对木卫一的引力会出现高低起伏，从而使其形状发生扭曲。木卫一/爱莪面对木星的部分在靠近时隆起，在远端则会回缩，这就像地球的海洋被月球拉扯时所产生的潮汐。地球海洋的潮汐在最极端时波动会达到 16 米，而木卫一的岩石表面随着每次“潮汐”产生的起伏会达到约 100 米。

这些运动使木卫一/爱莪表面下的岩石层之间产生摩擦，从而产生热量。木卫一表面坚硬的岩石暴露在极冷的太空中。但在地表以下约 50 公里处有一层岩浆，它可能与上面的岩层一样厚。除了产生这个岩浆层之外，木卫一围绕木星的偏心轨道造成的挤压，也导致岩浆偶尔会穿过其表面，并造成火山喷发。


伽利略探测器拍摄到的木卫一上一个活跃的火山 Tvashtar Catena 的喷发。图片来源：NASA/JPL

木卫一的表面覆盖着 400 多座活火山，这些活火山产生的全部熔岩比地球上所有火山的产生总和还要多。木卫一的熔岩也比地球上看到的任何熔岩都要热，温度超过 1,000 摄氏度。

尽管其他行星和一些卫星显示出过去有火山活动的迹象，但可见的活火山非常罕见。木卫一是太阳系中唯一一个具有在地球上看到的大规模火山活动的岩石天体。

4、木卫二/欧罗巴（Europa）

木星的下一颗卫星是木卫二/欧罗巴。木卫二拥有太阳系中最光滑的表面，它没有大的山脉，深陨石坑或峡谷。在冰冷的外壳上唯一可见的是条纹状裂缝组成的网络。这种光滑度表明木卫二的表面正在以某种方式再生，科学家们认为这也许是由于地下液体层的存在。


NASA 旅行者2号（Voyager 2）探测器在 1979 年拍摄的欧罗巴高分辨率拼图，与原图相比图片已顺时针旋转 90 度。图片来源：NASA/Ted Stryk/行星学会（the Planetary Society）编辑

像木卫一一样，木卫二的轨道也相对靠近木星，并且有相当大的卫星在它之外运行。所产生的引力效应也融化了木卫二地表下的那一层，但由于这颗卫星主要由水冰组成，它的融化层是一个巨大的液态水海洋。

NASA 旅行者号和伽利略号任务收集的数据表明，在大约 30 公里厚的冰层下，木卫二可能拥有 70-100 公里深的海洋。尽管木卫二比我们的月球还小，但它的海洋中含有的液态水被认为是地球所有海洋和湖泊总和的 2 倍。

这可能使欧罗巴成为一个特别有希望发现生命的地方，因为液态水对我们所知的生命至关重要。木卫二的地下海洋可能还有其他对生命有益的特性，包括防止辐射。木卫二的海洋似乎也是咸的，这可能意味着海洋可能与下面的岩石海底直接接触。地球的海洋从海底的热液喷口获得大部分盐分，这些喷口是地球上最有可能出现早期生命的地方之一。制造生命的基本要素包括水、有机化合物和能量，而从热液喷口流出的热量可能提供了将非生命成分转化为生命所需的能量。

由于所有这些原因，木卫二是寻找地外生命的重要目标。为了更好地了解这个世界及其可居住性，30 年代将两个任务，ESA的木星冰月探测器（JUICE）和 NASA 的欧罗巴快船（Europa Clipper）造访，其中欧罗巴快船将重点探测木卫二。

欧罗巴快船任务介绍（Credit: NASA JPL）

5、木卫三/盖尼米得（Ganymede）

继续我们从木星出发的方向，我们来到的下一颗伽利略卫星是木卫三/盖尼米得。它是太阳系中最大的卫星，甚至比水星还要大。它也是太阳系中唯一拥有磁场的卫星。


2021年由朱诺探测器拍摄的木卫三。图片来源：NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS

像欧罗巴一样，木卫三有一层厚厚的冰。但与其冰冷的姐妹星不同，木卫三没有显示出新表面的迹象。这颗卫星上丰富的陨石坑表明，它经历了数十亿年的撞击，没有任何构造过程来消除这些痕迹。与其内侧的伽利略卫星一样，虽然内部变暖的引力挤压在某种程度上发生在木卫三上，但它似乎不太可能像木卫二和木卫一那样产生厚厚的地下液态层。

相反，木卫三可能有几个海洋层，中间由冰分隔。这种层叠式的海洋，可能拥有太阳系中任何天体中最多的液态水。最底层的海平面被认为与其岩石层接触，这意味着这个海洋可能会从热液喷口接收能量。

然而，由于最外层的冰壳可能有 150 公里厚，如果木卫三确实在其内部海洋中存在生命，我们可能也永远不会发现。尽管如此，欧空局的木星冰月探测器（JUICE）将把重点探测目标设定在这里，以了解这颗巨大的卫星。


JUICE探测器到达木星系后CGI（Credit: ESA）

6、木卫四/卡利斯托（Callisto）

木星最外层的伽利略卫星是木卫四/卡利斯托。它是太阳系第 3 大卫星，直径仅比水星小 60 公里。

2001年5月由伽利略号探测器获得的唯一完整的全球彩色图像。木卫四的表面是均匀的坑，但颜色或亮度不均匀。科学家认为，明亮的区域主要是冰，而较暗的区域则是高度侵蚀的贫冰物质。图片来源：NASA/JPL/DLR

对木卫四密度的测量表明，它可能由一半岩石，一半水冰组成。但与木卫二和木卫三等卫星不同，木卫四的岩石和冰从未完全分离成不同的层。相反，它似乎是一种岩-冰的混合体，随着深入地层岩石组成会逐步增加。

因为木卫四离木星有点远，而且没有任何大卫星在其外侧，它不会经历那种会使其他伽利略卫星内部变暖的引力波动。因此，木卫四没有任何构造活动或火山活动——因为没有内部过程以任何方式改变其表面。事实上，木卫四被认为拥有太阳系中最古老的表面，并且比太阳系中任何其他天体都有更多的撞击坑。它完全被陨石坑覆盖，任何新的撞击几乎都会击中已有的陨石坑。

尽管没有显示出任何地质生命的迹象，木卫四仍然显示出一些在其表面深处有液态水的迹象。不幸的是，卡利斯托地壳下可能有水并不意味着它可能是生命的家园，因为这里的海洋缺少能量来源，没有任何证据表明木卫四的海水与岩石海底相互作用以接收来自热液喷口的能量。

尽管木卫四仍然被认为是海洋卫星，但它不是寻找生命的热门目的地，然而，它本身就是一个有趣的世界。我国的天问4号任务将在2029 年 9 月 24 日~10 月 9 日窗口期由长征5号火箭从海南文昌航天发射场发射升空，并把木卫四作为木星系探测的主要目标，而欧空局的 JUICE 任务也将造访这颗卫星。

天问4号任务规划

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