木卫二或崩溃：在木星轨道上寻找生命

最近，寻找外星生命的行动发生了意外转变，目标从火星转移到了木卫二——一颗围绕木星运行的冰球状卫星。要了解原因，你只需要看看这三个数字：

零
13.3亿
30亿

第一个是火星上已知的水量（抱歉，永久冻土和十亿年前的河床不算在内）。第二个是地球上的水量，以立方公里为单位。第三个是推断出的木卫二冰冻表面下晃动的水量。当然，火星可能在数十亿年前就有海洋，但木卫二现在就有海洋——而且它们的面积是地球上所有海洋总和的两倍多。

我们所知道的所有生命知识都表明生命需要水。相反，地球上有水的地方也需要生命。因此，传统的想法是，如果你想找到外星生命，你首先要寻找的是外星水。木卫二是太阳系中已知最潮湿的星球。生命也需要食物和能量。木卫二在这方面也占了上风：它的海洋可能受到有机化学物质的滋养，并受到火山喷口的搅动，就像大西洋中脊上的火山喷口一样。如果太阳系中任何地方都有“我们是孤独的吗？”这个问题的答案，那么很有可能是木卫二，而不是这颗红色星球。

这并不是说得到答案会很容易——远远不够。为了让你了解它到底有多难，请考虑另外三个数字：6 亿——从地球到木卫二的平均飞行距离，以英里为单位，这意味着到木卫二的旅程至少需要六年；500——木卫二表面的平均辐射剂量，以雷姆/天为单位，足以在几天内烧毁未受保护的航天器电子设备；10——木卫二冰壳的平均估计厚度，以英里为单位，是南极冰川厚度的四倍多。突破这些数字将考验人类智慧的极限。但越来越多的科学家认为我们必须尝试。

500：木卫二表面每天的平均辐射剂量（雷姆），足以在几天内烧毁未受保护的航天器电子设备

今年 5 月，NASA 终于同意并开始研发探测器，计划在未来十年内访问木卫二。该任务的许多细节，包括其名称，仍悬而未决。但 NASA 已选定将搭载在飞船上收集数据的九种科学仪器，国会也已拨款启动这项可能耗资 20 亿美元的项目。

对于木卫二的忠实粉丝来说，这一消息引发了庆祝的欢呼，但也带来了不少难以置信的兴奋。约翰霍普金斯大学应用物理实验室的行星科学家路易斯·普罗克特说：“我们知道木卫二有多特别。它值得投资。它值得冒险。”普罗克特自己已经进行了投资，她职业生涯的一半时间都在研究木卫二独特的冰冻地形。“我只是希望在我还活着的时候我们能在那里有所收获。”

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有时，伟大的发现始于你看不到的东西。1979 年，旅行者 2 号飞过木卫二时就是如此。它通过无线电传回的图像显示，这颗星球洁白如冰川，布满神秘的棕色条纹，表面平坦无比。“没有陨石坑，看起来就像一个巨大的冰袋，这真是太令人惊讶了，”长期担任旅行者号项目的科学家艾德·斯通回忆道。没有陨石坑表明表面变化很快，小行星撞击的痕迹很快就会消失；这反过来又暗示着一定有某种未被发现的能量源在驱动这一活动。我们现在知道，木卫二与木星其他大卫星的引力相互作用拉伸和挤压其内部，产生摩擦热（类似于搓手），形成一片广阔温暖的海洋。冰袋只是表面的霜冻而已。

旅行者号飞越木卫二三年后，作家亚瑟·克拉克被这一发现深深吸引，他将小说《2010》的背景设定在木卫二上。他想象木卫二是一个居住着原始水生生物的世界，由《2001：太空漫游》中的巨石守卫。它们向人类发出警告：“所有这些世界都是你们的——除了木卫二。不要试图在那里着陆。”在行星科学家中，这句话既成了笑话，也成了嘲讽。

1995 年，美国宇航局的伽利略号航天器进入木星轨道，木卫二在一定程度上变得更加清晰。一系列新的近距离图像显示，卫星上的条纹似乎是被洪水淹没的冰川裂缝。其他区域则像是破裂后重新冻结的海冰。但伽利略号的无线电天线故障，导致数据传输量微乎其微。在木卫二的大部分区域，它无法捕捉到宽度小于约 1 英里的任何细节，探测器留下的一些区域几乎完全没有被探测到。自 2003 年伽利略号任务结束以来，没有其他航天器前往访问过它。

普罗克特在困难的情况下尽力而为，精心拼凑了 20 年前的图像，显示木卫二表面的冰层向下循环到下面较暖的层，然后再回流——这是地球板块构造的较冷版本。佐治亚理工学院的天体生物学家布兰妮施密特发现了伊利湖大小的水体嵌入木卫二地壳的证据，这些水体可以充当海洋和地表之间的管道。综合起来，这些发现指向一个有趣的模型。随着地壳缓慢搅动，表面冰可以将彗星沉积的氧气、矿物质和有机化学物质输送到海洋深处。同时，上升的冰或破裂的湖泊可能会将生命的证据带到表面。“如果我们能够真正了解冰壳的工作原理，这将告诉我们木卫二维持生命的能力，以及应该去哪里寻找，”施密特说。

最近的长期研究为木卫二增添了神秘色彩。近两年前，哈勃太空望远镜的研究人员发现，一团巨大的蒸汽云盘旋在木卫二南半球上空。显然，液态水能够突破地壳吹入太空，这意味着要么表面附近有水，要么冰层中存在很深的裂缝。此外，今年 5 月，美国宇航局喷气推进实验室 (JPL) 的一个团队报告了重现木卫二条纹红褐色的实验：这些标记似乎是海洋盐到达表面并被木星辐射褪色的结果。如果水与岩石海床剧烈相互作用，吸收溶解的盐，就会形成咸水海洋。而富含矿物质的搅拌良好的水预示着生命的存在。

如果太阳系中任何地方能够解答“我们是孤独的吗？”这个问题，那么木卫二很可能就是答案。

所有这些因素都会让木卫二成为一个令人着迷的目的地，即使它是个异常的异类，但事实并非如此。在太阳系广阔的外围区域，类似冰冻星球（包括卫星、矮行星和巨型小行星）随处可见。根据最新研究，至少有九个这样的天体也拥有内部海洋。就连冥王星的内部也可能是湿润的，“新视野”号探测器最近发现了 11,000 英尺高的冰山和其他引人注目的表面地质，进一步证实了这一猜测。换句话说，太阳系中的大部分液态水不是存在于地球等岩石星球的表面，而是存在于木卫二等冰冻星球的内部。这增加了 NASA 即将执行的任务的风险。如果我们在木卫二上发现生命的证据，它将指向太阳系乃至整个宇宙中一类全新的宜居星球。

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几乎从 20 年前伽利略号抵达木星的那一刻起，木卫二的支持者们就一直在思考如何返回并详细研究这颗卫星。在此过程中，他们研究了 NASA 发起的三个独立任务概念，但后来都被取消了。现在，他们对木卫二的挑战了如指掌。

距离是最容易解决的问题，因为它有直接而有力的解决方案。使用现成的 Atlas V 火箭，前往木卫二至少需要六年时间——对于学者和政治支持者来说，这都是一段痛苦的漫长时间。因此，目前的木卫二概念要求搭乘 NASA 即将推出的火箭，即巨型太空发射系统 (SLS)。在初始配置中，SLS 将高 321 英尺，推力为 840 万磅。这足以将前往木卫二的旅行时间缩短至少一半。根据 NASA 目前的计划，第一台 SLS 将在 2018 年准备好进行试飞——对于暂定于 2022 年发射的木卫二任务来说，这已经是相当早了。

处理辐射问题则比较棘手。早期的木卫二探测任务概念包括一个防护严密的轨道器，该轨道器的设计可以抵御木星附近高能粒子的不间断攻击。部分出于这个原因，探测器的预计成本高达 40 多亿美元。包括喷气推进实验室的罗伯特·帕帕拉多在内的团队提出了一个更简单、更便宜的解决方案：放弃绕木卫二运行的想法，而是直接绕木星运行。当探测器绕木卫二旋转时，它将飞过木卫二约 45 次，掠过木卫二表面 15 英里处。每次通过后，它都会迅速退回到更远的轨道部分，那里的辐射水平要低得多。该团队估计，这种“立即撤离”的方法将很容易让探测器的电子设备在预计的三年任务期内幸存下来。

但是辐射除了带来物理挑战外，还带来了信息挑战。即使木卫二上有生命，即使冰层循环有时会将海洋生物带到表面，木星的磁场也会在它们暴露在外时用高能粒子轰击它们。这些粒子会分解有机分子，因此很难在木卫二表面发现完整的外星微生物痕迹。（搁浅的木卫二鲸鱼？也许吧。但没人指望它。）

任何海洋或生物碎片都会以 AK-47 子弹六倍的速度撞击探测器。

幸运的是，木卫二本身已经提供了一个解决方案。冰柱可能会将水样喷射到离地表 125 英里的地方——完全在探测器的飞行路径内。一组科学家最近召开了一场名为“在木卫二柱中发现生命的可能性”的研讨会，以研究如何利用这一发现。他们总结道，别想着找到完整的微生物了。即使木卫二的海水和地球一样富含生命，捞起一个活细胞的几率也微乎其微。哦，飞船相对于柱子的速度将达到每小时 10,000 英里；任何海洋碎片和其中的任何生物，都会以六倍于 AK-47 子弹的速度撞击木卫二。

尽管如此，研究人员还是持乐观态度，原因有二。首先，找到生命的化学特征比找到完整的外星虫子要容易得多。考虑到这一点，探测器上的两个微型实验室将旨在测量羽流飞过时的成分。其次，在木卫二表面被辐射得面目全非之前，可能能够发现速冻的、有生命存在的海水（或至少是适合生命的化学物质）。探测器将携带雷达来寻找薄冰区域，这些区域可能在最近发生过火山喷发，并携带一种称为成像光谱仪的设备来详细扫描表面成分。

但最终，木卫二的羽流可能只是间接证据。获得答案的更好方法——让研究人员眼前一亮的方法——是忽略阿瑟·克拉克的巨石，发射登陆器。

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如果我们登陆木卫二表面，会发现什么，谁也说不准。人类以前从未登陆过冰冻世界。最接近的类似物是地球的北极和南极地区，但在许多方面，这种相似性只是表面上的。帕帕拉多指出，木卫二要冷得多，最高温度从未超过零下 210 华氏度。在这种温度下，水和混凝土一样坚硬，并产生了新形式的冰地质。辐射以不可预测的方式侵蚀着表面。简而言之，我们几乎不知道我们会降落在什么样的表面上，也不知道到达那里后会看到什么。

喷气推进实验室的工程师亚当·斯特尔茨纳 (Adam Steltzner) 的团队为好奇号火星探测器设计了绝妙的“空中起重机”着陆系统，现在他已准备好设计木卫二着陆器。他指出，1976 年海盗号着陆器降落时，工程师们并不知道火星表面的地貌，但他们做得非常好。着陆实际上只是火箭科学的问题。“关键在于你能携带多少重量，”他说，“需要多大的功率，以及多大的制动火箭。”如果希望着陆器能够持续使用几天，还需要大量的辐射防护。着陆器越重，就需要越大的推进器，以实现从轨道上的 12,000 英里每小时到着陆时的 0 英里每小时的速度。此外，在释放着陆器之前，主轨道器还需要侦察出好的着陆地点。这项工作很艰巨，但工程方面并没有什么大问题。

斯特尔茨纳已经对着陆器如何开展科学工作有了一些聪明的想法。他指出，从冰冻的木卫二表面提取样本不需要昂贵的电钻；着陆器可以更优雅地完成这项工作，方法是使用机载电源运行其一条支架中的加热器。一点点热量就足以融化和蒸发下面的冰。然后，着陆器可以通过支架吸入烟雾，将它们吸入一个微型化学实验室，并寻找生命迹象。着陆器在着陆时会进行一次小型挖掘，穿过辐射表面，钻入下面更完整的冰层。

如果我们在木卫二上发现生命的证据，这将表明太阳系乃至整个宇宙中存在一类全新的宜居星球。

美国宇航局还邀请欧洲航天局提交一份关于木卫二着陆器或高速冰层穿透器的提案——基本上就是一根扔进冰里的标枪。这些想法都必须经过审查程序，可能要到 2016 年或 2017 年才会正式获得批准。还有资金问题：美国宇航局没有资金用于木卫二着陆器，尽管有几位国会议员支持这一想法。

相信木卫二的人们最大的担忧不是访问这颗冰卫星的挑战太艰巨，而是升空的过程成本太高。火星更近、更方便、更熟悉；如果你只是计算一下预算数字，那就是值得去的地方。但木卫二是科学数字最有优势的世界。如果我们投入时间和金钱，对木星海洋卫星的探测任务可能会产生最令人兴奋的数字：2，这是我们所知的宇宙中存在生命的地方的数量。

本文最初发表于《大众科学》杂志2015年9月号。