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木卫二

木卫二(Europa),又名欧罗巴,是围绕木星运行的四颗大型卫星中最小的一颗,与其他三颗木星的卫星(木卫一木卫三木卫四)一起被称为美第奇星或伽利略卫星。

作为木星系统的一员,对于木卫二的观测与记载最早可以追溯到中国的春秋战国时期,当时的天文学家甘德就有记载了岁星(木星)与其身旁小星(卫星)的从属关系。1610年1月8日,意大利科学家伽利略·伽利莱(Galileo Galilei)观测到了四颗绕木运行的大型卫星,木卫二就为其中之一。之后,先驱者10号(Pioneer 10 或 Pioneer F)、先驱者11号(Pioneer 11)、旅行者1号探测器(Voyager 1)、旅行者2号探测器(Voyager 2)、伽利略号木星探测器(伽利略号木星探测器)、哈勃空间望远镜(Hubble Space Telescope 缩写:HST)、朱诺号木星探测器木星探测器(Juno)等多次飞越木星系统并对木卫二进行探测与拍摄。未来,欧洲航天局(European Space Agency)所发射的JUICE号木星探测器与美国航空航天局(nasa)计划发射的欧罗巴快船号(Europa Clipper)也都将飞往木星系统进行观测。其中,快船号将是第一艘专门用于彻底观测木卫二的航天器。

木卫二的质量为4.8×10²²kg,赤道半径为1560.8km,大小与地球的四分之一相当。木卫二的主要成分为硅酸盐岩石,其结构由内到外可以粗略分为核、幔、壳三层,中心是一个铁核,铁核外是硅酸盐地幔,表面由一层厚度达15km至25km的冰壳覆盖而成,格外光滑、明亮且陨石坑非常少。冰壳的表面密布着红色(暗褐色)的裂痕与条纹,这些裂痕与条纹是因为受木星潮汐力作用,冰层破裂所致。科学家断定木卫二表面的冰壳非常年轻,估计其形成时间不超过4000万年至9000万年。冰壳之下的是一片咸水海洋,海洋深度达60km至150km,其海洋含水量大约是地球全球海洋的两倍。此外木卫二的上空还存在有大气层,主要由氧分子及水蒸气等羽流物质组成。木卫二的大气层非常稀薄,气压仅相当于地球气压的千万分之一,大气层厚度约200千米。

由于受木卫一与木卫三轨道共振的影响,木卫二绕木星运行的轨道为椭圆,其平均轨道距离(也就是与木星的距离)671000km,平均轨道速度49476.1km/h,轨道偏心率0.009。木卫二绕木星的公转周期与其自转周期相同,都为3.551个地球日,被木星锁定在特定的轨道上经历潮汐力的作用,始终以同一个半球面对木星。

木卫二冰壳之下的海洋提供了生命存在的可能性,被科学家认为是太阳系中最有希望寻找到地外生命的地方之一。2013年上映的电影《欧罗巴报告》(Europa Report)(又名《木卫二报告》),就是以此为背景讲述了一队科考人员以木卫二“生命可能”为目的,乘坐宇宙飞船前往木卫二对其进行探索的故事。

发现与命名

发现

人类对于木星的研究与记载最早可以追溯到中国的春秋战国时期,当时成书的《左传》与《国语》等古籍中有许多利用木星的位置来记载某一事件发生年代的故事,那时称呼木星为“岁星”。并且,在战国时期天文学家甘德的著作《星经》与《天文星占》中有提到“木星与其旁边小星(卫星)的组成的系统,小星(卫星)从属于木星”,同时还通过颜色比对以区别当时所观测的包括木卫二在内的四颗木星的卫星。

到1610年1月7日,意大利科学家伽利略·伽利雷·伽利雷(Galileo Galilei)观测到有三颗天体紧挨着木星,其中两颗在木星的一侧,一颗在另一侧,三颗天体与木星共同处在同一条直线上,这条直线穿过木星星盘的中央。这三颗天体就是后来所发现的木卫一、木卫二、木卫三木卫四,只不过当时木卫一与木卫二相距很近,所以伽利略将其误认为是同一个天体。第二天(1610年1月8日)夜里,当木卫一与木卫二移动开了一段距离之后,伽利略才意识到前一天所观测到的与木星紧挨的天体不是三颗而是四颗。伽利略通过对木星及其周围四颗天体的观测,最终确定了这四颗天体是围绕木星旋转的四颗大型卫星,也就是木卫一、木卫二、木卫三与木卫四。其中木卫二是四颗卫星中最小的一颗。经过观测,伽利略精确地预测了木卫二的运动及时间,这些预测内容与方法在1681年时得到法国天文学家乔凡尼·多美尼科·卡西尼(Giovanni Domenico Cassini)的验证。

命名

作为木星四颗大型卫星的发现者,伽利略拥有命名权。出于对自己研究赞助人柯西莫·美第奇二世(Cosimo Ⅱ de’Medici)的感谢,伽利略将这些卫星命名为木卫三。然而1614年,德国天文学家西蒙·马吕斯(Simon Marius)却在其著作《木星的世界》中宣称,自己早在1609年12月就发现了木星卫星,并在1610年1月8日已开始对观察进行记录。同时,西蒙·马吕斯还用希腊神话中的名字分别为四颗木卫星命名,其中以宙斯的情人欧罗巴欧罗巴为木卫二命名。对于马吕斯的命名,伽利略并不喜欢,于是最终称呼这些卫星为木卫一木卫四。此外,为了纪念伽利略的发现,它们又被统称为伽利略卫星

起源与演化

木卫二与其他伽利略卫星可能都形成于太阳系早期的4亿年前。在太阳系形成的过程中,太阳周围的初始气体和尘埃云慢慢聚集并凝结成为地球、木星行星;而在木星形成的同时,木星周围的一些剩余物质(尘埃云等)也会慢慢聚集并凝结成为一些大型卫星,其中就包括了木卫二。事实上,木星及其卫星所组成的系统与太阳系有着极其相似的属性。比如,太阳系中的每颗行星的密度都低于其内邻(越靠近太阳的行星,密度越大),与之对应的木星的卫星中也是如此,距离木星越远,密度越低。而导致这一现象的原因是由于更密集的岩石和金属物质会首先凝结出来,同时密度较低的物质则需要在更冷的距离才会凝结。因此,遵循相同原理的木卫二等卫星也与太阳系的其他行星一样,都是由它们母星的残余物所凝结而成的。因此,木星与其伽利略卫星所组成的系统又被称为“迷你太阳系”。

物理特性

基本综述

木卫二的质量为4.8×10²²kg,赤道半径为1560.8km,与地球相比,其大小约相当于地球的四分之一。木卫二随木星一起绕太阳公转的距离约为7.8亿km,是地球到太阳距离的5.2倍,因为距离太阳太过遥远,所以表面温度很低,其平均地表温度约-170°C。木卫二的平均密度为3.01g/cm3,其重力加速度为1.315m/s²。木卫二绕木星公转周期与其自转周期相同,都3.551个地球日,且几乎是直立旋转,所以没有像地球那样的季节。由于受木卫一、木卫三轨道共振的影响,木卫二绕木星的运行轨道为椭圆,这导致木卫二受到木星的强潮汐力作用,其潮汐力的大小相当于地球的1000倍。

内部结构

木卫二的主要成分是硅酸盐岩石,具有冰壳,整体结构与地球相似,从内到外分为核、幔、壳三层。具体说来,木卫二的中心是一个铁核,铁核外是硅酸盐地幔,再外层是水(可能是深达千米的大洋),最上面则覆盖着厚达千米的冰层。此外,木卫二还具有稀薄的大气层。

外壳

旅行者1号探测器(Voyager 1)与旅行者2号探测器(Voyager 2)所拍摄的木卫二照片表明,木卫二表面格外光滑、明亮且只有非常少的陨石坑。1972年,美国基特峰国家天文台(Kitt Peak National Observatory,缩写为KPNO)的望远镜对卫木二进行了光谱观测,表明木卫二的表面成分主要为水冰。科学界估计木卫二的冰壳厚15km至25km。通过旅行者1号与2号所拍摄的照片,科学家注意到在木卫二表面的冰壳上,密布着红色(暗褐色)的裂痕与条纹,这些裂痕与条纹将木卫二的冰壳划分为许多冰裂板块,而且那些被暗带与裂缝所分离的板块相互非常匹配,就像是被隔离开来的拼图一样。这意味着木卫二表面的冰层的下方是液体,冰层在破裂之时,其板块会随着下方液体而流动从而产生相对运动。

木卫二表面的冰层在破裂并随着下方液体运动的过程中,下面的新的液体物质流入裂开的缝隙并在表面结成深色的冰块,这也就形成了照片中所看到的褐色条纹,它们将原来的破裂的冰壳分离开来并形成新的冰壳。再加上木卫二表面光滑而明亮、少有陨石撞击痕迹,科学家断定木卫二表面的冰壳非常年轻,估计其形成时间不超过4000万年至9000万年,这在地质角度来看是非常年轻的。沿着木卫二表面的裂缝,有一些红棕色的斑点图案,科学家认为可能是含有盐和硫的化合物。美国航空航天局(美国航空航天局)推测,新的冰壳的形成是因为木卫二上喷发的火山流或表面冰壳自身下沉从而不断形成新冰层的结果,在这个过程中,它们抹去了那些受陨石撞击的痕迹。

此外,伽利略号木星探测器伽利略号木星探测器)还在木卫二表面发现了被称为“混沌地形”的地区,那里破碎的块状景观被神秘的红色物质覆盖。2011年,研究伽利略号数据的科学家提出,混沌地形可能是地表在嵌入冰中的透镜状湖泊上方塌的地方。伽利略·伽利雷号还揭示了木卫二表面有一些奇怪的坑和圆顶,表明木卫二的冰层可能由于来自下方的热量而缓慢翻腾或对流(更冷,更密集的冰下沉,而温暖的密度较低的冰上升)。长而线性的裂缝通常只有大约1-2公里宽,但可以在木卫二表面延伸数千公里。其中一些裂缝已经堆积成数百米高的山脊,而另一些裂缝似乎已经拉开成多个平行裂缝的宽带。此外,美国航空航天局曾在2013年宣布,首次在木卫二的表面发现了黏土型矿物,这意味着木卫二可能存在对形成生命至关重要的有机物。而且还发现木卫二上可能有高达200千米的间歇性喷泉,这预示着冰壳下面隐藏着海洋。

大气

木卫二具有稀薄的大气,大气的主要成分为氧气。根据哈勃空间望远镜所捕捉到的木卫二上希薄气体的痕迹,美国马里兰州巴尔的摩(Baltimore)的约翰斯·霍普金斯大学(Johns Hopkins University)与美国太空探测科学院的研究联队共同在《自然》杂志上发布了木卫二大气的检测结果,其结果验证了木卫二上大气层的存在,且大气层中有分子氧。木卫二上的大气非常稀薄,约翰斯·霍普金斯大学的首席研究员Doyle Hall曾将其与地球的大气层进行过对比,他表示,木卫二表面大气层的压力只相当于地球大气压的千万分之一。2013年美国航空航天局宣布,使用哈勃空间望远镜的研究人员发现了木卫二的上空大气中可能存在有羽流等蒸汽物质(水蒸气等)的证据。

木卫二上大气层的产生原因主要是非生物的。由于其表面冰壳暴露于太阳光下,同时又受到木星磁场作用下的带电粒子与带电尘埃的撞击,导致一些水蒸气与水分子从冰壳上形成并分离。这些从冰壳上形成并分离再来的水蒸气与水分子再通过一系列化学反应,进一步分解为氢分子与氧原子。然后,氢分子由于质量太轻,所以从木卫二逃逸进入太空,只留下相对重的氧分子与一些水分子、水蒸气等羽流物质在木卫二的上空形成极为希薄的大气层,其大气层的厚度大约200千米。当然,在整个过程中,其实氧分子也会从木卫二逃逸进入太空,只不过其逃逸的速度相对于氢分子要慢上很多,再加上木卫二的冰壳又不断补充新的氧分子,最终形成相对稳定的大气层。

在气候上,因为木星的赤道相对于木星绕太阳的轨道路径仅倾斜3度,这意味着木星几乎是直立旋转,所以木星与木卫二及其他木星的卫星都没有像地球那样的季节。并且,由于距离太阳过于遥远(7.8亿千米),以至于木卫二的表面温度很低,最高约-148℃,最低约-223℃,平均约-170°C。

地下海洋

1971年,科学家通过对木卫二进行热模型(Thermal Model)研究,结果表明木卫二内部可能含有一层液态水。再加上对木卫二表面冰壳研究表明,其裂开的冰壳于下方液体的飘浮下做相对运动,且不断有新的液体上流以形成新的冰壳。此外,伽利略号木星探测器还观测到木星磁场在木卫二周围的空间遭到破坏,这意味着木卫二内部的一些导电液体产生了一种特殊类型的磁场。根据木卫二的冰成份分析,科学家们认为最有可能产生这种磁性特征的导电液体材料是处于木卫二冰壳下方的全球咸水海洋。因此,在木卫二的冰壳之下的是一片咸水海洋,海洋深度达60km至150km,其海洋含水量大约是地球全球海洋的两倍。2013年,美国航空航天局在木卫二的表面发现了黏土型矿物的同时,还发现木卫二上可能有高达200千米的间歇性喷泉,。同一年,美国航空航天局宣布,使用哈勃空间望远镜的研究人员发现了木卫二的上空大气中可能存在有羽流等蒸汽物质(水蒸气等)的证据,这意味着木卫二在地质上是活跃的,进一步证实木卫二表面下隐藏着海洋。

木卫二地下海洋形成并存在的原因:尽管木卫二地表温度非常低,不符合液态水存在的条件。但是科学家通过探测计算出木卫二上所受的潮汐力是地球的1000倍,正是这种程度的潮汐力引起的潮汐加热足以使木卫二冰下“海洋”保持液态。同样也是这股潮汐力“扯裂”了冰面,使得大量较为温暖的“海洋”液体冲向表面,随后又遇冷形成大型水蒸气羽流,并在木卫二表面重新结出新的光滑冰层。

同时,出于在木卫二表面观测结果的研究(褐色裂缝、间歇性喷泉、堆积的山脊、奇怪的圆顶等),亚利桑那大学的Gregory V. Hoppa认为,木卫二受木卫一与木卫三轨道共振的影响,产生了强制离心率,使它在绕木星运动时,其与木星的距离忽远忽近,进而导致强大潮汐力的产生。在潮汐力的作用下,木卫二冰壳下面的海洋忽涨忽落(经过计算,这种潮汐的涨落可达30米之多),对冰壳形成强烈冲击。当这种冲击超过了木卫二表面冰层的抗拉强度时,冰层破裂、裂隙产生,并且这种裂隙沿着波状曲线在木卫二表面延伸,直到潮汐力逐渐减弱到小于冰壳的抗拉强度为止。而后裂缝停止延伸,并重新冻结成新的冰层。

轨道情况

木卫二绕木星公转的周期为3.551个地球日,平均轨道距离(也就是与木星的距离)约671000km,平均轨道速度约13.7km/s,轨道偏心率0.009。同时木卫二绕木星运行的方式与月球绕地球的运行方式类似,都是被母星锁定在特定的轨道上经历潮汐力的作用,并且自转周期与公转周期相同(木卫二的自转周期也为3.551个地球日),因此木卫二总是以同一个半球面对木星。此外,木卫二随木星一起绕太阳运动的轨道距离太阳约7.8亿千米,因为木星的赤道相对于木星绕太阳的轨道路径仅倾斜3度,这意味着木星几乎是直立旋转,这导致木星与木卫二及其他木星的卫星都没有像地球那样的季节。

木卫一、木卫二与木卫三以4:2:1的比例发生轨道共振,也就是说每当木卫三绕木星运行一周,则木卫二绕木星运行两周,同时木卫三绕木星运行四周,这种共振会产生强制离心率,三颗卫星相互作用的牵引力使它们的轨道不会变成圆形。也正是由于椭圆形的轨道导致了木卫二在不同运行位置受木星的引力不同,这种引力差异产生潮汐,拉伸和放松木卫二的表面,并可能导致木卫二表面冰壳的断裂,或导致海底火山的活动。

相关探测

综述

1971年,科学家通过对木卫二进行热模型(Thermal Model)研究,结果表明木卫二内部可能含有一层液态水。1972年,美国亚利桑那州(State of 亚利桑那州图森(Tucson)基特峰国家天文台(Kitt Peak National Observatory,缩写为KPNO)的望远镜对卫木二进行了光谱观测,表明木卫二的表面成分主要为水冰。20世纪70年代,美国航空航天局(美国航空航天局)的先驱者10号(Pioneer 10 或 Pioneer F)、先驱者11号(Pioneer 11)与旅行者1号探测器(Voyager 1)、旅行者2号探测器(Voyager 2)等航天探测器先后飞越木星进行探测,其中旅行者1号与2号分别对木卫二进行了图像拍摄。为了对木星进一步的研究,美国航空航天局启动了伽利略号木星探测任务。1898年,伽利略号木星探测器伽利略号木星探测器)从亚特兰蒂斯号航天飞机(Space Shuttle Atlantis)上发射,这是美国航空航天局第一个直接专用于探测木星的航天器,1995年伽利略号木星探测器进入木星轨道。伽利略号木星探测器的一项重要任务就是在反复飞越木星轨道时对四颗伽利略卫星进行观测,从1995年到2003年期间总共对木卫二进行了12次近距离的飞越与观测。

此外,美国航空航天局哈勃空间望远镜(Hubble Space Telescope 缩写:HST)也对木卫二进行了观测。2013年时,美国航空航天局宣布,使用哈勃太空望远镜的研究人员发现在木卫二上空有羽流飘升物质(类似于水蒸气等物质)的存在。2019年11月,美国航空航天局所领导的一个国际研究小组宣布,他们首次在木卫二表面直接探测到了蒸气(羽流)物质。在2018年7月,原2011年8月5日由美国航天局发射的朱诺号木星探测器朱诺号木星探测器)在完成了对木星的飞越与探测任务之后,其探测任务被延长为继续对木星的卫星进行探测。2021年9月9日,朱诺号木星探测器首次完成了对木卫二冰壳的3D观测。2023年4月14日,欧洲航天局(European Space Agency)发射了JUICE朱诺号木星探测器,JUICE号预计于2031年抵达木星对木星系统进行探测。针对木卫二的探测,美国航空航天局还推出了“快船任务”,计划于2024年发射欧罗巴快船号(Europa Clipper),这是专门针对木卫二的探测任务。

先驱者号探测

美国航天局的“先驱者10号”与“先驱者11号”探测器,是真正深空探索的“先行者”或“探路者”,因为他们将执行之前从未有过的横渡行星带任务。按计划,先驱者10号会是第一个与木星及木星强烈的辐射带交会的探测器,最后成为首个离开太阳系行星边缘的人造物体;而先驱者11号则会基于先驱者10号在与木星及木星强烈辐射带交会过程中所观测到情况,以保障飞越木星并探测木星的任务得以完成,之后再飞往土星成为第一个与土星相遇的探测器。

1972年3月2日,先驱者10在美国东南部的佛罗里达州(Florida)的卡纳维拉尔角(Cape Canaveral)空军基地由宇宙神-半人马座运载火箭发射,成为第一个要近距离观测木星系统的太空飞船。按照当时的设想,如果小行星带及木星系统的磁力圈被证实对先驱者10有危害,那么随后而来的先驱者11号就成为一个后备太空飞船,以完成对木星系统进行飞越与探测的主要任务。当然,美国国家航天局也可能根据情况改变先驱者11号(通过木星的引力助飞)的标使其飞往土星的能力,而具体如何执行,则完全取决于先驱者10号与木星系统的交会结果。1973年12月3日,先驱者10号最近距离与木星进行了接触,它不仅发现了木星是一颗液态氢的行星,还对四颗伽利略卫星进行了探测。而在这之前的1973年4月5日,先驱者11号发射,之后1974年12月2日,先驱者11号与木星在相距4.3万千米的位置交会,对木星系统进行了进一步的探测与拍摄。

旅行者号探测

20世纪70年代,美国航空航天局所发射的旅行者1号探测器与旅行者2号探测器先后在飞越木星系统时对木卫二进行了图像拍摄与观测。其中,1979年3月4日,旅行者1号在距离木星最近时对木卫二的完整全球图像进行了拍摄(当时距木卫二约200万公里),旅行者一号在经过木星时共拍摄了约1.8万张照片,它对所有的木卫三都进行了拍摄,但是所拍摄到的木卫二的成像质量并不好。1979年7月9日,木卫二在绕木星运行时,旅行者2号在距离木卫二最近的时候用电视摄像机的荧光板捕捉到了从木卫二反射而来的太阳光,并将之变成了木卫二的全球图像。旅行者号探测器将木卫二图像通过无线电传回了地球,一个位于澳大利的射电望远镜接收到了这些无线电,并在接收到的信息通过近地轨道的通信卫星传到了美国南加州,最后由喷气推进实验室计算机将之解码处理成图像。由于当时的旅行者2号距离木卫二地表的距离只有几千米,因此其所拍摄的照片完美的弥补了旅行者1号探测器成像质量差的缺陷,于是,1979年7月9日早上,人类历史上第一次见到了来自木卫二的完整的奇观图像。

两艘“旅行者”号所拍摄到的图像显示,木卫二的表面有许多网状条纹和山脊纵横交错,其地形相当光滑,只有极少的石陨石撞击坑,而且也没有高高的悬崖与山脉,与地球的卫星月球相比,木卫二表面更亮。但是,对于木卫二为什么会形成图像中所展现的特征,当时科学界并没能做出合理的解释,直到“旅行者号探测器木星任务结束后,都依然没能给出定论。

伽利略号探测

1989年10月18日,美国航空航天局伽利略号木星探测器发射升空,于1995年9月7日成功进入环绕木星的赤道轨道。2003年9月21日,伽利略号探测器为了避免与一颗木星的卫星碰撞从而对卫星表面造成生物污染,于是从木星轨道调整进入了与木星发生碰撞的轨道。伽利略号木星探测器的一项重要任务就是在反复飞越木星轨道时对四颗伽利略卫星进行观测,从1995年到2003年期间总共对木卫二进行了12次近距离的飞越与观测。伽利略号木星探测器观测到木星磁场在木卫二周围的空间遭到破坏,这意味着木卫二内部的一些导电液体产生了一种特殊类型的磁场。根据木卫二的冰成份分析,科学家们认为最有可能产生这种磁性特征的导电液体材料是全球咸水海洋。依据伽利略号的观测数据,科学家分析认为,木卫二表层的冰壳厚15km至25km,它们漂浮在深度达60km至150km的海洋上,其海洋含水量可能是地球全球海洋的两倍。

朱诺号探测

为了探索木星,2011年8月5日,美国航空航天局佛罗里达州(Florida)的卡纳维拉尔角(Cape Canaveral)发射了名为“朱诺号”(Juno)的木星探测器。2016年6月24日,朱诺号进入木星空间,十天后的7月4日,朱诺号成为继“伽利略号木星探测器”之后,第二艘进入木星轨道的人造航天器。2018年7月,在朱诺号完成了其对木星的飞越与探测任务之后,并没有像伽利略号那样被送入木星,而是以延长任务的方式对木星的卫星进行探测。其中,基于2021年6月7日朱诺号木星探测器木卫三观测成果的几篇研究论文有在《地球物理研究杂志》和《地球物理学研究快报》上进行了发表。2021年9月9日,朱诺号首次完成了对木卫二冰壳的3D观测。朱诺号的探测提供了木卫二和木卫三冰壳下的开创性观察,帮助科学家获得了冰壳下结构、纯度和温度等数据,其观测深度最高可达地表之下约24公里。

木星探测器“朱诺号”对木卫二的产氧量进行了相对精确的估算。为了测量木卫二表面产生了多少氧气,科学家们利用“朱诺号木星探测器”上的木星极光分布实验(JADE),来测量木星极光区域的带电粒子。当“朱诺号”于2022年9月飞越木卫二时,JADE首次成功地测量了从木卫二大气中脱落的带电粒子。美国航空航天局(NASA)估算,木星的冰卫星“木卫二”每24小时产生1000吨氧气,足够100万人维持一天的生命。这些数据可以帮助科学家弄清楚木卫二上是否存在生命,相关研究发表在专业学术期刊《自然-天文学》上。

JUICE探测任务

欧洲航天局(European Space Agency)推出JUICE任务,其主要目的是探索木星及其三颗最大的冰卫星(木卫二、木卫三木卫四)。2023年4月14日,JUICE木星探测器搭乘阿丽亚娜5型火箭(Ariane 5)从法属圭亚那库鲁航天中心发射升空,开启了8年的奔向木星之旅,预计于2031年抵达木星。按计划,JUICE探测器将深入研究木星的复杂环境,探索是否有生命存在,并将木星系统作为宇宙中气态巨行星系统的模型开展研究。

快船号探测任务

美国国家宇航局计划未来进行针对木卫二的欧罗巴快船任务(Europa Clipper),在这个任务中所要发射的“欧罗巴快船号”将是第一艘专门用于彻底观测木卫二的航天器。据美国航空航天局喷气推进实验室欧罗巴快船任务磁性检测仪器校准负责人兼调查科学家科里·科克伦(Corey Cochrane)于2023年8月9日所更新的消息。为了对卫木二进行磁场测量,当前由美国航天局喷气推进实验室(JPL)和加州大学洛杉矶分校合作设计和建造的快船号飞船磁性检测仪器(ECM)已在JPL完成了严格的测试和校准,并准备集成到快船号航天器上。磁场测量将为科学家研究木卫二冰壳下海洋深度、海洋电导率以及冰壳厚度等信息提供帮助。与此同时,通过磁场测量与其他仪器与数据的结合,了解木卫二海洋的电导率,以确定木卫二海洋的盐度,这有助于科学家判断海洋的宜居性,同时验证木卫二上是否存在生命的猜想。

按计划,欧罗巴快船号将于2024年10月发射,在航行途中,电子编码(ECM)科学家将定期利用太阳风的数据来校准仪器传感器,而一旦航天器到达木星系统,科学家则将会进行额外的仪器校准。由于不能绕木卫二运行,所以快船号只能以绕木星运行的方式在飞越木卫二时进行探测。快船号将要飞越木卫二50次,每次飞越时,都会探测关于木卫二上海市洋深度、冰壳厚度等数据,同时还会收集木卫二所“喷”入大气中的羽状物(蒸气等)的特征。目的是研究木卫二生命存在的可能性。

相关研究

羽流与海洋研究

通过哈勃空间望远镜伽利略号木星探测器的观测,发现在木卫二表面上方160km的高度会存在有木卫二的羽流飘升物质(类似于水蒸气等)。此外,2019年11月,美国航空航天局所领导的一个国际研究小组也宣布,他们首次在木卫二表面直接探测到了蒸气(羽流)物质。他们使用夏威夷凯克天文台(W.M. Keck)的光谱仪测量了蒸汽,该光谱仪可以通过行星大气发射或吸收的红外光测量行星大气的化学成分。也就是说,只要这种蒸汽(羽流)物的来源与木卫二上的海洋有关,那么就可以利用航天器穿过这些蒸汽(羽流)层时对它们进行采样和分析,以此来分析木卫二上的海洋。关于这种研究方式,美国航空航天局卡西尼号宇宙飞船(卡西尼环形山)在土星的卫星土卫二(Enceladus)上就有完成过。另外,2018年的一项研究表明,木卫二的海洋样本处于冰壳之下,而冰壳在木星潮汐力的作用下变形、弯曲与破裂,这样就会将底部的海洋样本带到冰壳的表面。这意味着,在分析木卫二大气层中羽流物质的同时,航天器还可以使用红外和紫外线仪器对木卫二表面物质进行远程分析来进行结合与验证。

生命猜想研究

木卫二冰壳下面的巨大海洋,提供了其有生命存在的可能性。通过彗星石陨石验证了前太阳星云是由含有碳和碳化合物的星际云塌缩而形成的,因此整个太阳系都含有碳。而且在形成木星与木卫二的太阳系外层地区碳化合物保持稳定,与地球上的化学自养型生物相似,木卫二上的岩石层矿源可以提供化学能源。同时,卫木二还存在有与岩石层直接接触的液态水。所以,木卫二具备有存在生命的三个先决条件:碳源、能源与液态水。

木卫二表面的陨石坑相对很少,并且呈现有裂开的冰的覆盖物,这是因为它的表层的冰壳覆盖面是在近代重新形成的,比较年轻。对于这个结论,科学界有两个方面的模型可以做出解释。一方面,木卫二受木星潮汐力的作用造成地壳断裂,从而形成薄冰壳的周期性破裂,而破裂了的冰壳之间的液体又会因为木卫二表面温度(约-170°)迅速固化,阻碍冰块移动的同时形成新的冰层。另一方面,木卫二冰层下的大洋底部的硅酸盐层有火山,木星的潮汐力引起木卫二硅酸盐层的部分熔化及火山活动,火山喷发使大洋变热从而导致覆盖的冰层融化,最终形成新的冰层。从第二个方面来看,其大洋中可以形成与地球海床非常相似的环境,进而将会存在有非常茂盛的生态系统。

但是,因为木卫二的轨道位于木星辐射带深处,其表面年辐射量高达1MGy(地球表面的年辐射量为2mGy),这意味着地球上最具有辐射耐受性的细菌抗辐射奇球菌(Deinococcus radiodurans)(能忍受5kGy的辐射而不被灭活)在木卫二表面存活期不会超过2天。不过,《宇宙生物学》中提到说,由于木卫二的生态系统处于其大洋之中,其上面所覆盖的冰壳可以使辐射迅速衰减,而在冰壳之下1m的年辐射量可降为200mGy(与火星表面相当),大部分微生物都能够承受。

所以,《宇宙生物学》中总结认为,木卫二只要满足冰层下大洋中存在有液态水、大洋与岩石层直接接触、有着太阳此外辐射与宇宙辐射等多种能源,也就满足了生命可居住性的最小必要条件。

相关文化

欧罗巴报告

2013年上映的《欧罗巴报告》(Europa Report)(又名《木卫二报告》),由塞巴斯特柯代洛执导,吴彦祖沙尔托·科普雷克里斯蒂安·卡玛戈 、卡罗利娜·维德拉 、 迈克尔·恩奎斯特安娜玛丽亚·玛琳卡艾伯丝·戴维兹 、小伊塞亚·维特洛克 、丹·福勒 、尼尔·德格拉塞·泰森等主演的科幻惊悚电影。

影片讲述了来自世界各地的6名宇航员被征召到一起,前往木卫二展开一项秘密探险任务。科学界一直推测木卫二可能是除地球之外,太阳系中唯一一个有大量液态水存在的地方,并认为在其冰壳之下的海洋中可能存在着单细胞生命。因此,一队科考人员以木卫二“生命可能”为目的,乘坐宇宙飞船前往木卫二对其进行探索,而他们在科学探索过程中的遭遇则为电影的主要情节。

使命召唤

2016年11月4日由Infinity Ward开发、Activision发行的第一人称射击类游戏《使命召唤:无限战争》(Call of Duty: Infinite Warfare)的背景中,玩家将扮演待殊行动的飞行员,驾驶地球上最后一个仅存的战舰“惩罚者”号对抗一个残酷无情的敌人。其中就有部分剧情是在木卫二上展开的,为玩家带来了在木卫二上活动的体验。

参考资料

Europa-BY THE NUMBERS.NASA Solar System Exploration.2023-09-22

外太空的冰下之旅.今日头条.2023-10-14

Information on Jupiter's satellites and comparison with other selected solar system bodies. .Solar System Small Worlds Fact Sheet(NASA).2023-10-22

Europa-IN DEPTH.NASA Solar System Exploration.2023-09-22

欧航局发射探测器,探索木星及其冰冷卫星的奥秘.今日头条.2023-09-26

Europa Clipper Mission.History|Mission-NASA's Europa Clipper.2023-09-26

New Video Series Captures Team Working on NASA’s Europa Clipper.NASA's Europa Clipper.2023-09-26

Europa-OVERVIEW.NASA Solar System Exploration.2023-09-22

欧罗巴报告.豆瓣电影.2023-09-26

Bulk parameters .Jovian Satellite Fact Sheet(NASA).2023-10-23

美空间探索盯上木卫二.人民网.2023-10-14

NASA’s Juno Exploring Jovian Moons During Extended Mission.Extended Mission.2023-09-26

Europa Clipper's Magnetometer Testing is Complete, Ready for Integration.Europa.NASA.2023-09-26

木卫二日产氧量足够百万人活一天.今日头条.2024-03-12

《使命召唤13》图文攻略 全任务流程图文攻略.游民星空.2023-09-26

使命召唤13:无限战争 Call of Duty: Infinite Warfare.豆瓣.2023-09-26

Call of Duty: Infinite Warfare.activision.2023-09-26