木卫二 - DGSO百科
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木卫二Europa (英语发音"yoo ROH puh"),是木星的第六颗已知卫星,并是木星的第四大卫星,在伽利略发现的卫星中为离木星第二近。木卫二比地球的卫星月球稍微小一点。最近的哈博望远镜观察揭示出木卫二有一个含氧的稀薄大气(1e-11巴)。太阳系中大约165颗卫星里只知道有4颗卫星(木卫一,木卫三,土卫六和海卫一)拥有大气层。不像地球的大气中的氧,木卫二的并不是生物形成的。它最可能是由于太阳光中的电荷粒子撞击木卫二的冰质表面而产生水蒸气,然而分成氢气和氧气。氢气脱离,留下了氧气。

基本信息

公转轨道: 距离木星670,900 千米
卫星直径: 3138千米
质量: 4.80e22 千克
希腊神话中,欧罗巴是腓尼基公主,宙斯化成一头白色的牛,将她诱拐至克里特岛,并生下了米诺斯。
伽利略号还发现了一些木卫二拥有微弱磁场的证据(相当于木卫三的四分之一)。
木卫二由伽利略和Marius于1610年发现。

介绍

组成

木卫二与木卫一的组成与类地行星相似:主要由硅酸盐岩石组成。但是与木卫一不同,木卫二有一个薄薄的冰外壳。从伽利略号发回的数据表明木卫二有内部分层结构,并可能有一个小型金属内核。但是木卫二的表面不像一个内层太阳系的东西,它极度的光滑:只能看到极少的数百米高的地形。凸出的记号看来只是反照率特性或是一些不大的起伏。
木卫二(Europa)

木卫二(Europa)

木卫二上的环形山很少;只发现三个直径大于5千米的环形山。这表明它有一个年轻又活跃的表面。然而,旅行者号做了一小部分的表面高清晰度地图。木卫二的表面精确年龄是一个悬而未决问题。

外观

木卫二的表面照片与地球海洋上的冰的照片相似。这可能是因为木卫二表面的冰以下有一层液态的水,或许有50千米深,由引潮力带来的热量保持液态。如果是这样的话,这将是除地球之外,太阳系中唯一一个有大量的液态水存在的地方。
木卫二最醒目的外观是遍布全球的一串串十字条纹。较大的一个向外扩散到淡色物质地带,长近20千米。最近的有关它们的起源理论是:它们由一连串火山喷出物或喷泉产生。

本质

旅行者号并没有好好观察木卫二,因为它是伽利略号探索的主要任务。来自伽利略号两次接近木卫二发回的图片看来验证了早期的理论:木卫二的表面相当年轻,只看到很少的环形山,一些活动很显然正在发生。有些区域看来很像春天到来时,两极的海洋处冰块融化的情景。木卫二表面和内部的确切性质还不很清楚,但有一个表面“海洋”的确切证据。
木卫二(Europa)是太阳系中另一颗与众不同的卫星。木卫二是太阳系中最明亮的一颗卫星,几百年来它以它的独特性使一批又一批的科学家对它着迷。它之所以显得如此明亮是由于它表面有一层厚厚的冰壳,这层冰壳上布满了陨石撞击坑和纵横交错的条纹。木卫二的内部很可能是非常活跃的,在冰壳下面很可能隐藏了一个太阳系中最大的液态水海洋,这个海洋中极有可能存在着生命。

轨道特征

木卫二与木星之间的平均距离为 670,900 千米,公转一周只须三天半的时间。它的轨道十分接近正圆,偏心率仅0.009。 跟其他的伽利略卫星一样,木卫二也被潮汐锁定,因而有一个半球永远朝向木星。由木星和其他卫星不同方向的重力牵引所转化成的热和能量为有可能发生的,冰层内部液化成海洋,以及驱动表层下的地质运动提供了必要的条件。
木卫二

木卫二

物理特征

内部结构

木卫二的主体构成与类地行星相似,即主要由硅酸盐岩石构成。它的表面由水覆盖,据推测厚可达上百千米(上层为冻结的冰壳,冰壳下是液态的海洋),1995到2003年期间环绕木星进行科学考查的伽利略号飞船所采集到的磁场数据表明,木卫二在木星磁场的影响下自身能够产生一个感应磁场,这一发现暗示着,其表层内部很可能存在与咸水海洋相似的传导层。木卫二可能还有一个金属性的铁核。

表面特征

木卫二的表面大体光滑,很少有超过几百米的起伏,不过在某些地区也可以观测到接近一公里的落差。木卫二是太阳系中最光滑的天体。它那些显眼的纵横交错的纹路,也就是所谓的返照特色(albedo feature),是由低浅的地形所造成。由于撞击坑非常少,木卫二是返照率最高的卫星之一。这也暗示了它的表面是相当“年轻”和“活跃”的;基于对木卫二可能经受的彗星撞击频度的估算,它的“表面”年龄大概在2千万到1亿八千万年之间。 (the geological features of the surface clearly show a variety of ages).
伽利略号飞船拍摄的接近真实色彩的木卫二照片
木卫二表面最突出的特征就是那些张牙舞爪地布满整个星球的暗色条纹。近距离观测表明,条纹两侧的板块有相向移动的现象。大一点的条纹横向跨度可达20公里,可以观察到这些宽条纹的深色部分和板块外缘有模糊过渡。规则的纹路,以及宽条纹夹有浅色的细纹,这些形态很可能是由表层冰壳开裂较温暖的下层物质暴露而引起的冰火山喷发或间歇泉所造成。这与在地球上的海脊有着相似的效果。据推想,大部分的裂痕是由木星所施加的强大的潮汐压力所造成;由于木卫二已被潮汐锁定,它总是保持一个方向对着木星,固定的压力模式应该可以形成特定的可预测的破例式样。然而在木卫二表面上只有新近出现的裂痕才符合预测的式样,其他的裂痕可以向各个方向延伸,年代越久远的就越是如此。一个较合逻辑的解释是,木卫二其表层的自转速度要略快于其内部,冰面下的海洋将外壳与更下层的地幔分隔开,冰壳在木星的重力牵扯下被撕裂。对比旅行者号和伽利略号拍摄的照片可测算出,大约每10,000年木卫二的外壳会比其内部多自转一周。
“康纳马拉混沌地形”:崎岖的山丘的平坦的盆地交错在一起
木卫二另一个显著的特征就是遍布四野的或大或小或圆或椭的暗斑,拉丁文作 lenticulae,义为“雀斑”。这些暗斑有的突起如穹有的凹陷如坑有的平坦如镜,也有的纹理纷糅粗糙。突起的小丘多顶部平整,显见着原本是与周遭的平原一体,受推挤上抬而形成。据推想,暗斑的形成是下层温度较高的“暖冰”在透刺(diapir)作用下向上涌升而穿透表层的“寒冰”所致,其运动机理与(地球)地壳内部的熔岩窨(magma chamber)相似。光滑的暗斑是“暖冰”冲破表壳时有融水渗出所造成,那些粗糙杂错的斑痕(又被称作“混沌”(chaos)区域,如康纳马拉混沌)是由大量细小的表壳碎片镶嵌在暗色的圆丘中所构成,就像是极地海洋中漂浮的冰山(地球)。

冰下海洋

木卫二的表面温度在赤道地区平均为110K(-163 °C),两极更低,只有50K(-223 °C),所以表面的水是永久冻结的。但是潮汐力所提供的热能可能会使表面冰层以下的水保持液态。这个猜想最初由针对潮汐热的一系列推测所引发(略为偏心的轨道和木卫二与其他伽利略卫星之间的轨道共振所产生的后果)。伽利略计划的读图团队在对伽利略号和旅行者号所拍摄的图像分析之后推测木卫二的地形特征意味着冰下海洋的存在。有学者将木卫二表面极富特色的混乱地带解释为下层海水渗出地表而造成。但是这一解释争议极大,多数对木卫二进行研究的地质学家更倾向于支持一个被称作“厚冰”模型的理论,他们认为即便存在这样的海洋,也几乎不可能对表面造成直接的影响。对冰壳厚度的估算也存在相当大的分歧,有认为是几千米的,也有认为是数十千米的。
Pwyll撞击坑
木卫二表面为数不多的几个大形的撞击坑就是支持“厚冰”模型的最佳证据。最大的一个撞击坑被若干同心圆圈所环绕,坑内被新鲜的冰填充得相当平整。以此为基础再结合对潮汐力所生成的热能的估算,所推测出冰壳厚度在10到30千米之间,这就意味着冰下的海洋可能深达100千米。
伽利略号轨道飞行器还观测到,木卫二在通过木星巨大的磁场时自身会产生一个强度呈周期性变化的弱磁场(其强度与木卫四接近,约为木卫三磁场的四分之一)。有猜测认为,冰下咸水海洋中的极性离子是该磁场的成因。 另有光谱分析的证据表明,木卫二表面裂痕中微显淡红色的物质有可能是从冰下渗出的海水挥发后沉积下来的盐(比如硫酸镁)。硫化氢 也是这一现象的一个合理的解释。但是,由于这两种物质的纯净物都是无色或白色的,别的一些物质也被用于解释淡红色的成因,比如含有硫磺的混合物等。

大气

1994年哈勃空间望远镜的Goddard高解释度光谱仪观测到,木卫二的表面包裹着一层主要由氧构成的极其稀薄的大气(1地表气压约1微帕)。 在已知的太阳系的所有卫星当中只有七颗具有大气层(其他六星为木卫一、木卫四、 土卫二、 木卫三、 土卫六 和 海卫一)与地球不同,木卫二大气中的氧是非生物来源的。很可能是带电粒子的撞击和阳光中的紫外线线的照射使木卫二表面冰层中部分水分子分解成氧和氢,氢因原子量低而逃逸,原子量相对较高的氧则被保留下来。

可能的生命

据猜想,冰下的海洋中可能有生命存在,其生存环境可能与地球上的深海热液口或南极的沃斯托克湖(Lake Vostok)相似,其生命的形态可能与地球上的某些嗜极生物相似。尽管目前还没有任何证据,但基于可能存在的液态水,相继有若干项向木卫二派遣空间探测器议案曾被提出(详探索一节)。

由来

木卫二(Europa):<希腊神话>腓尼基(Phoenicia)公主欧罗巴(Europa),阿革诺耳(Agenor)的女儿。大神宙斯(Zeus)化作一头公牛将其劫至克里特岛(Crete),并与她生下了三个儿子:弥诺斯(Minos)、拉达曼堤斯(Rhadamanthys)和萨耳珀冬(Sarpedon)。
欧罗巴是希腊神话中的一位美丽的腓尼基公主,其他三颗伽利略卫星也被马里乌斯以希腊神话人物分别命名为爱莪(Io,木卫一)、盖尼米德(Ganymede,木卫三)和卡利斯托(Callisto,木卫四),这四个人物皆以俊美着称。但是在20世纪中叶以前,相当长的一段时期内,这一套命名并未被天文学家所认可。早期的文献中多以位置编号将“欧罗巴”称作“木卫二”。1892年发现了木卫五,比之前已知的所有木星卫星都更靠内。1979年旅行者号探测器又发现了三颗内侧卫星,至此,“欧罗巴”的位置排到了第六。尽管如此,编号名仍然承袭下来,并偶有使用,中文因对音等问题,亦通行以“木卫二”指称“Europa”。

相关数据

发现者
伽利略
马里乌斯
发现日期
1610年,1月
轨道平均半径
671,034 km(0.004486 天文单位)
离心率
0.0094
近地点
664,700 km (0.00444 AU)
远地点
677,300 km (0.00453 AU)
公转周期
3.551181041 d(0.0097226 a)
轨道周长
4,216,100 km (0.028 AU)
公转速度
最大:13.871 km/s
平均:13.741 km/s
最小:13.613 km/s
轨道倾科角
与黄道交角 1.79°
与木星赤道交角 0.47°
所属行星
天然卫星之一
平均直径
3,121.6 km ([[地球的 0.245)
表面积
3.1×107 km&sup2;(地球的 0.060)
体积
1.593×1010 km&sup3;(地球的 0.015)
质量
4.80×1022 kg (0.008 Earths)
平均密度
3.014 g/cm&sup3;
表面重力
1.314 m/s2 (0.134 g)
逃逸速度
2.025 km/s
自转周期
与公转同步
赤道转速
zero
自转轴倾角
0.67
反照率
5.3
表面温度
最低 平均 最高
~50 K 103 K 125 K

冰火山

木卫二的质量太小,以至于木星的其他卫星的引力严重影响到它。 在木星和木星其他卫星的引力牵引下,在木卫二上出现了潮汐摩擦力,使木卫二升温,从而使冰和液态水从木卫二表面喷发,场面非常壮观。就像地球上的火山那样,只不过,木卫二上的冰火山喷发的是冰和液态水。

冰川

木星的第一颗卫星上有火山,而第二颗卫星木卫二上却有冰川,与木卫一截然相反,这使科学家们感到困惑不解。木卫二是一个宁静的世界。它的地势非常平坦,最高的丘陵才50米。它的表面覆盖着一层晶莹剔透的冰层。科学家收到了宇宙探测器“旅行者”2 号发回的照片,通过研究,推测木卫二有一个带冰壳的固体核心,而且在冰壳和核心之间,可能有一层液态水。正是这样的构造,形成了木卫二平坦的地形,并使它承受了陨石以及小行星的撞击而不变形。天文学家史蒂文森等人计算了木卫二的热耗散,证实在核心和冰壳之间确实存在一个液态水层。他们通过几种不同模式的实验,得出了木卫二在25千米深的冰层下,存在着一个地下海洋的结论。

海洋

美国航宇局伽利略号木星探测器最新发回的图像表明,木星的卫星木星二上有大量的液态水,它表面上的冰幔只有1~2公里厚,并有内部火山热源存在。这是迄今为止关于某个地外天体上有液态水存在的最强有力的证据,也增大了人们搜寻到地外生命的可能性。如果木卫二真如科学家们设想的那样还存在着有机化合物,那么它就满足了生命存在的条件。
伽利略探测器在离木卫二仅586公里处飞过时拍摄的照片显示,似乎有是一些冰山漂浮在被冰覆盖的海面上。这些冰山最大的有13公里宽,可以明显地看出是从带沟槽的地带上断裂下来的。科学家们对于照片上的特征与地球北极区照片的相似程度感到吃惊。伽利略早先发回的图像曾表明木卫二有表面运动现象,但运动特征的尺度约有80公里,可能归结于无液体参与的板块运动。这次发现的冰山是漂浮在液体上,而不是在具有可延性的地幔上。
从冰山投下的阴影可以算出它们比周围的冰海高出100~200米。假定同地球上一样,冰的密度比液态水低约10%,那么冰山约90%的部分应在冰面以下。这就是说,冰山的厚度应在1~2公里。
在照片上这片冻结的海面上只找到了两处撞击坑,说明这里的形成年代可能还不到100万年。这增加了这片区域是新形成的、还存在液态水的可能性,而且这种现象在木卫二的其它地方可能也存在。新发现的证据表明,木卫二的整个表面年轻几个数量级。估计是利用分辨率不足1公里的大范围图像,根据大型撞击坑(直径约10公里左右)的数目做出的,但某些这种 “撞击”坑的近视图像显示它们实际上是由木卫二内部现象引起的表面再造过程形成的。例如,在70米分辨率的近视图像上看得很清楚的一个多边形凹陷在大范围图像上就被错认为是一处撞击坑
高分辨率还使得研究人员能够数出数量较多的小型撞击坑(直径0.1~1公里)的数目,这些数据使撞击坑尺寸/ 密度分布比按10亿年表面寿命估计的数值低3个数量级。这意味着该卫星的某些区域比原来估计的年龄低1000倍。要把撞击坑数目转化为木星表面年龄数据不是件容易的事,原因是人们对木星附近流星通过量的了解不像对地球附近那样充分。

地下盐湖

美国宇航局发现在木星的卫星——木卫二的冰层下方存在一个巨大的咸水湖泊,其水量大致相当于北美地区著名的五大湖的水量总和。
这个新发现的湖泊位于木卫二的地表冰层下方大约3公里处,它代表了太阳系中人类发现的最新一处潜在的生命孕育所,同时也被认为是除了地球之外太阳系中最适合生命生存的环境之一。
科学家利用伽利略号探测器拍摄的图像与地球上高纬度冰山漂浮地区和冰盖地区图像进行对比分析,初步证实“混杂地貌”(由伽利略号探测器所拍摄的图像上那些曾经让人困惑的两个大致呈现圆形,似乎崎岖不平的区域)是漂浮的冰山相互碰撞形成的无规则聚合体,但是要想进一步确认这一发现,科学家们还需要更加详尽的数据,这就需要借助携带有能够穿透冰层雷达的探测器进行近距离观察。美国宇航局正在考虑在2022年之前发射一艘这样的飞船,携带专门设备抵近木卫二展开考察。
木卫二的冰层下方可能还存在更多其它未被发现的湖泊。考虑到这些冰下湖的上覆冰层在某些地区可能比较薄,厚度仅有数十米,这就为未来探寻这些湖泊中潜在的生命迹象提供了很大的便利。这种较小的冰层厚度可能意味着未来或许将有更多的机会可以在这里着陆,并获得来自这些冰下湖的沉积取样用以研究。

光滑解释

木卫二是不是像木卫一一般被引潮力“摩擦”加热?多少程度?是不是在冰下隐藏了什么火山作用呢? 据英国有关媒体报道称,为了更深入地研究这颗木星的天然卫星,科学家们还计划发射探测器前往木卫二进行近距离观测研究。科学家们之所以对木卫二存在着浓厚的研究兴趣,是因为他们认为木卫二厚密的冰层底下存在着大量的液态水。美国科学家们绘制出的这张木卫二地质图将帮助科学家们更多地了解这颗卫星的地质演化史和确定今后对其进行深入研究的基本方向。这张地质图是科学家们依据“伽利略”号和“旅行者-2”号探测器获取的资料绘制的。
众所周知,1998年-2003年,“伽利略”号和“旅行者-2”号分别对木星及其卫星进行了较近距离的探测研究。 根据获取的资料科学家们推断称,木卫二表面的地质历史相对年轻但富于变化,同时木卫二上很少有火山活动。它上面存在的诸多巨型裂谷很可能是木星强大的引力所致。据亚利桑那大学行星地质学教研室主任劳恩-格里利表示,绘制木卫二地质图最大的困难在于科学家们是否信任探测器发回的有关探测资料。
“旅行者-2”号探测器所拍摄的木卫二表面照片清晰度为每像素2公里。而“伽利略”号在围绕木星及其卫星飞行时所拍摄的照片清晰度可达每像素12.6-0.23公里。在绘制这张木卫二地质图时科学家们综合了这两枚探测器提供的数据资料。 认为木卫二上存在有关生命的科学家们还持有这样的观点,木卫二拥有生命诞生所必需的一切条件,那就是它上面存在着液态水、丰富的能源(主要指木星的强大引力)和有机化合物。如果木卫二上真存在生命,那么这些生命将类似于地球深海热水条件下生存的有机体。 2015年后科学家们将向木星及其卫星发射一枚专门的探测器。劳恩-格里利和来自美国局喷气推进实验室的罗伯特-帕帕拉尔多将率领数十名天文专家来研究如何去探测木星系统,包括探测器沿怎样的飞行轨道飞行、将搭载哪些科研仪器和设备等。 科学家们还希望向木卫二发射一枚配备有机器人的探测器,以便于能够深入木卫二冰层以下研究其地下水。不过,这一想法实施起来非常困难,因为木卫二表面覆盖的冰层可能达20公里厚。
据英国科学家们约翰-扎尔涅茨基称,欲研究木卫二必须得先发射轨道探测器以探知冰层以下到底是什么,然后再利用其它探测器去探个究竟。

木卫二表面以下发现液态水

科学家们发现木卫二的极地旋转轴偏移了近90度,像这样的极端变化表明在木星冰壳表面之下蕴藏着液态海洋,这将进一步说明木卫二很可能孕育着地外生命体。这项研究是由卡内基研究所、月球和行星研究协会和加州大学圣克鲁兹分校的科学家联合负责的,该研究报告发表在《自然》杂志上。
卡内基研究所地磁部的伊萨姆氰禚苏亚马是该联合研究小组成员之一,他使用“航行者”号、“伽利略”号和“新地平线”号宇宙飞船拍摄的图片绘制了木卫二表面上直径超过500公里的大型弧状盆地。据悉,木卫二的半径为1500公里,略微地比月球要小一些。
通过对比木卫二极地旋转轴偏移施压形成的盆地断裂地形特征,研究人员测量极地旋转轴偏移了80多度,之前旋转轴位于当前赤道旁10度左右位置。
木卫二极地旋转轴猛烈的偏移很可能是由于极地表面以下存在着厚厚的冰层。马特苏亚马说,“旋转体需要在最大程度的旋转轴变化基础上寻求稳定平衡。对于木卫二而言,其外壳的厚度不一致将导致很大程度上的不平衡,因此木卫二在运行中必须改变旋转轴寻求新的稳定状态。”
像这样的变化被称为“真实极地偏移”,并不像由于板地筑造学上的视觉漂移。在地球、火星和土星的土卫二上也存在着真实极地偏移。马特苏亚马称,我们的研究也将木卫二列入其中,这说明我们需要对这颗行星进行更多的重新定位研究。
同时这项研究暗示着木卫二内部有液态水存在,科学家基于宇宙飞船拍摄的照片曾猜测这颗行星有广阔的地下海洋,这些照片揭示木卫二表面以下有断裂的冰表面。木卫二重力作用形成的潮汐力可将地下冰壳海洋加热成为热态水,即使地下海洋切断了太阳能来源,但是热量和液态水也有可以孕育生命。

木卫二可能存在类鱼生命

2009年11月,美国亚利桑那大学科学家理查德-格林博格等人经研究发现,木卫二可能存在类似于鱼类的生命。
木卫二可能存在类鱼生命

木卫二可能存在类鱼生命

如今许多科学家都相信,木卫二表面没有陆地,而在厚厚的冰层之下存在着一个覆盖全球的海洋,海洋深度大约为160公里。格林博格的最新研究表明,木卫二的海洋正在吸收大量的氧气,它所吸收的氧气量比此前的模拟预测结果还要多得多。科学家认为,这些氧气足够支持多种生命形态的存在,从理论上讲,木卫二海洋中至少应该存在300万吨类鱼生物。格林博格解释说,“尽管目前还不能说那里肯定存在生命,但我们至少知道那里的物理环境支持生命的存在。”
美国伍兹海尔深海生态学家蒂莫西-尚克认为,木卫二的海底环境与地球海洋底部的“热液出口”具有极大的相似性。众所周知,地球海底热液出口处存在着许多生命形态。因此尚克坚持认为,“如果木卫二上没有生命,那才是奇怪的事。”

探索

有关木卫二的大多数知识都获取自旅行者和伽利略两次任务中的飞掠观测(flyby)。

计划一

雄心勃勃的木星轨道器计划已于2005年取消,但是还有各种各样针对木卫二的未来探索任务的议案被不断的的提出。
2006年NASA(美国航空暨太空总署)的预算中编列了应美国国会的口头提请为未来的环航木卫二计划而建立基金。在设想中,该计划的任务包括:通过重力和高度的测量手段确认木卫二的表面冰壳下是否存在海洋;大范围地对地表进行高
木卫二

木卫二

解析拍摄,通过光谱分析以确认其表面物质的化学成分;以及利用穿冰雷达对冰层进行穿透探测等。该计划甚至考虑让飞船携带一个小型的着陆装置,利用此装置直接分析木卫二表面的化学成分,同时采集地震波数据以确定冰层的厚度和活跃程度。然而不可确知该计划是否有切实启动的可能,NASA2007年度的预算编列中就没有这项资金。

计划二

另一个可行的计划是使用与深度撞击(DI)计划相似的撞击器。用撞击器猛烈撞击木卫二表面以激起碎屑烟雾,让一艘小型飞船穿过烟雾收集碎屑。因无须从木星或木卫二的环航轨道上发射着陆器——当然也省略了从卫星上重新起飞的步骤——燃料的消耗将大大缩减,故而该设想被看成是最经济的方案之一。

其他

还有一些更大胆的设想,比如发射一个着陆器寻找冻结在冰壳浅层的可能的生命迹象,或者直接深入内部对冰下海洋进行探查。提案之是派遣一个被称作“融探”(Melt Probe)的巨型核动力探测器(穿冰机器人——cryobot),用它融冰打孔,一直钻入到冰下海洋,接触到水后再释放一个自主运行的水下行走器(涵泳机器人——cryobot)。这个装置可以将收集到信息传送回地球。穿冰和涵泳机器人都要经过严格的消毒,以避免将可能从地球携带的有机质误认作当地的生物,并杜绝对冰下海洋的污染。这一议案尚未进入严肃筹划的阶段。
Cryobot在南极洲经过了测试。随着钻头通过产生的热量融化冰层,探测器会“越陷越深”。融化冰层从理论上讲是个不错的概念,但如果探测器碰到冰层深处的东西,比如大块石头,它将陷入其中不可自拔。如果不能融化冰层,那么探测任务将就此走向终结。香港理工大学和匈牙利格拉兹威尔特劳姆福斯特研究所设计出将钻探技术和融化方法完美融为一体的创新方法。他们提出的“热钻”(thermal drill)系统原型机在实验中表现不俗,实验结果刊登在2008年7月出版的《行星和空间科学》杂志上。
高校空间研究协会(Universities Space Research Association)于2006年南出版了一册《太阳系探索指南》(Solar System Exploration Roadmap)作为NASA的决策参考。该手册将对木卫二的探索排在前列,建议于2008年启动一系列有关旗舰级木卫二任务的策划项目,并期望飞船能在2015年升空。

生命之谜

人类移居的可能性

2009年年底,美国亚利桑那大学科学家理查德
木卫二

木卫二

格林伯格发表论文指出,木卫二的海洋中至少应该存活着300万吨似鱼复杂生物。这将13年前科学家们提出的木卫二生命假说又向前推进了一步。木卫二是1610年由伽利略发现的,航天器对木卫二的探测表明,它的外壳冰层下可能有海洋,有了海洋就意味着其中可能有生命存在。科学家们一直在设法揭开其生命之谜。

木卫二上是否有海洋

航天器对木卫二的探测表明,其上可能有海洋。正因如此,在对木星卫星的探测中,科学家们最重视的就是木卫二。
早在1979年,旅行者1号和2号探测木星时就发现,木卫二像个冰与奶油巧克力混合的大球体,表面上分布着弯曲条纹。科学家们分析研究木卫二的照片和探测资料后提出,该卫星表面覆盖着5000米厚的冰层,冰层下面可能有一个深达50千米的海洋。
从1996年伽利略号在距离木卫二16万千米处拍摄的照片上看,这颗星球呈现出冰壳状,表面裂缝交错,像地球两极的浮冰,说明冰层曾受到巨力的作用。科学家们研究后认为,这种力是由木卫二和木星及其他三颗伽利略卫星之间的引力形成的潮汐力,其作用不仅形成木卫二的表面特征,还使其内部的水以液态存在。
1996年末伽利略号从距离木卫二688千米处经过时拍摄的照片显示,木卫二表面有水流存在。科学家们说,这种现象表明木卫二内核很热,大量热能从火山口或热泉眼喷发出来,导致表面部分冰层融化。
1997年1月,伽利略号用磁强计对木卫二的磁场进行的探测显示,木卫二只能有一个内磁场才能解释获得的结果。这个内在导电层的导电率必须和含盐海水一样强。由此科学家们再次得出木卫二上可能有海洋的推论。同时,发回的新照片表明,木卫二表面裂缝位置发生了变化,说明很可能是表层下的海洋流动造成的。

“冰激凌”内热外冷“夹层”是海洋

1997年2月,伽利略号从距离木卫二586千米处飞过时拍摄的照片显示,木卫二表面最大的冰山宽达13千米,高为100~200米。美国科学家史蒂文等人认为,由于木星对木卫二内核的引力作用,使其冰幔下面的水保持液体状态,成为深达几千米的海洋。1998年12月伽利略号拍摄的照片显示,木卫二南部有一条长达800米的裂缝。
2000年1月,伽利略号从距离木卫二351千米处掠过时发现,木卫二地磁北极点位置频繁移动。科学家们认为,这是木卫二含盐海洋在冰层下流动形成电磁场引发的结果。
在研究了木卫二表面裂缝照片之后,2002年9月格林伯格研究小组宣称,木卫二冰层较薄,观测到的表层裂缝可使气体、热量和有机物质接触到表层下面可能存在的水。这种情况显示,木卫二可能存在的海洋同地球上的北冰洋相似。既然北冰洋能通过冰层的裂缝接触空气和热量,那么木卫二上的海洋也能通过冰层裂缝与外界接触。
科学家们依据旅行者2号和伽利略号获取的资料,于2007年绘制出的首张木卫二全球地质构造图揭示,其表面地质构造比较年轻且富于变化。2008年,科学家们发现,木卫二极地旋转轴偏移了80多度。这样的极端变化表明木卫二表面冰壳厚度不一致,在其下面有广阔的海洋。科学家们还用多种航天器获得的照片,绘制了木卫二表面直径达500千米以上的大型弧状盆地图像。经综合分析研究,科学家们认为,木卫二内部有一个金属核,核外是石质的壳,壳外是液态水海洋,海洋表面是冰层。

是否具备生命存在的三个基本要素

由于水是孕育生命的重要条件,故而科学家们在发现木卫二上可能有海洋之后,就推断其海洋中可能有生命。
1979年旅行者号发现木卫二表面广泛分布着弯曲的褐色条纹之后,有的科学家就认为,这意味着该星球上存在着有机分子,因为多种有机聚合物是呈褐色的。同时对可能存在的海洋来说,其环境可以维持有机体的生存,因而估计木卫二上可能存活细菌一类的低级生物。
1996年8月,美国科学家提出,木卫二的海底也可能存在火山,其喷发提供的热量足以使某些不需要阳光和空气的微生物生存下去,这一论点被称为木卫二生命假说。木卫二冰层下面有水、充足的热量和有机化合物这三个生命存在的基本要素,其环境很有可能符合宇宙生物学的标准。地球海洋深处一些火山口的周围,没有阳光和氧气的极端恶劣的自然环境中都有原始微生物繁衍生息,就是因为这些地方都具备上述三个条件。提出和赞同木卫二生命假说的科学家们认为,从环境条件推断,其生命形态只能是低级的海洋生物。
这些科学家认为,地球生命源于海洋里的火山喷口,此一原理也适用于木卫二。他们猜测,受木星引力影响,木卫二内部亦有火山活动。当木卫二从木星一侧飞向另一侧时,木星会挤压木卫二,导致后者的核心处于熔融状态,从而引起火山活动。火山虽未喷发出表面,但却加热了冰层下面的水,使其呈液体状态,形成海洋。木卫一由于距离木星更近,受到的挤压更大,故而火山喷出表面,并留下硫磺和其他化学物质。地球海底热液喷口处也有很多同类化合物,且与地球早期生命有关。由此科学家们推断,木卫二海底火山活动也会喷发类似化合物,并造成温暖的环境,从而孕育并存活了生命。

捕捉到了冰层下的“海豚音”

那么,木卫二上的海洋生物会和地球上的哪类生物比较接近呢?伽利略号的探测结果为科学家提供了新证据。
伽利略号在距木卫二上空400千米掠过时,曾收到其冰层下发出的吱吱叫声。经科学家们分析研究,这种叫声与地球海洋中海豚发出的声音相似,误差率仅为0.001%。据此科学家们推测,如果木卫二上真的有生命,它们最有可能与地球上的海豚相似。美国生物学家还打算发射下一个探测木星航天器时,让其带去地球海豚“谈话”的录音带,试图传输到木卫二上一探究竟。
科学界普遍认为,木卫二表面没有陆地,寒冷的外壳冰层下面是一片汪洋大海,水量比地球拥有的水要多得多。海洋正在吸收大量的氧气,甚至远比预测模型显示的要多,海底部分区域应该与地球深海热泉周围环境极为相似,其构成足以支持多种生命形态存活。格林伯格对此进行深入研究后,才于2009年11月提出了当前木卫二海洋中至少应该存活300万吨似鱼复杂生物的最新结论。

揭开生命之谜的四个探测方案

人类寻找地外生命的具体目标,排在第一位的是火星,排在第二位的就是木卫二。怎样利用航天技术揭开木卫二生命之谜呢?科学家们已提出四种可行的方案。
一是用导弹轰击取样。人类将从地球向木卫二发射一艘宇宙飞船,当其飞临木卫二近空时,适时发射一枚导弹,猛烈轰击目标的表面,使冰层碎块飞向高空,随即飞船穿越炸出的冰块云团,伸出“凝胶”收集部分碎冰,并运回地球,供科学家们研究,以便确定有无生命信息。
二是用航天器进行近空探测。美国宇航局和欧空局正在研制名为木卫二木星系任务的探测器,计划将于2020年发射升空,2026年到达探测区域,预定工作期限为三年。探测器由两个轨道器组成。美国负责携有相机、光谱仪和强大雷达系统的木卫二轨道器。当其进入环绕木卫二轨道开展探测工作时,雷达系统可以穿透木卫二冰层,计算出冰层厚度,其他仪器将研究海洋生物迹象。它将帮助科学家缩小可能存在生命区域的范围,为以后的探测提供依据。欧空局负责携有相机、光谱仪、尘埃分析器、质谱仪或者磁力计的轨道器,届时主要是对木星卫星进行探测。
三是用航天器着陆探测。俄罗斯将参与欧空局2015年至2025年的一项空间研究计划,以便登陆研究木卫二,寻找简单的生命形式。这一项目的航天器以法国天文学家皮埃尔缰馉拉普拉斯的名字命名。俄罗斯将研制一个登陆探测器,搭载在该航天器上。届时登陆探测器将降落在木卫二表面冰层的一个裂缝处,并融化一些冰,开始寻找生命踪迹,随即将探测结果通过拉普拉斯航天器传回地面。
四是用机器人钻入海洋探测。其方案是向木卫二发射两个着陆机器人,一个能钻穿冰层开辟一条通往海洋的孔道,另一个能沿着孔道进入海洋开展探测工作。水下机器人携带的科学仪器能够进行环绕考察并找出微生物,包括不同于地球上的生命形态。其探测结果将适时发回地球。为保证探测效果不受木卫二以外的任何因素影响,两个高度自动化的机器人必须完全灭菌。

木卫二将验证或修正宇宙生物学标准

探测木卫二有无生命的意义在于,除弄清真相外,还可验证或修正宇宙生物学标准。如果发现了木卫二上有生命,那就证明了宇宙生物学标准至少适用于太阳系天体。如果推断条件属实而未发现生命,则需修正这一标准。如果推断条件不存在,则另当别论。无论获得何种真实情况,都能深化人类对木卫二乃至太阳系天体的认识,促进空间科学的发展。

其他疑惑

移居木卫二?
极度深寒还有点儿挤
在太阳系八大行星中,木星是最大的。木卫二是木星的四大卫星之一,直径为2920千米,只有地球直径的约四分之一,体积比地球的卫星月球稍微小一点。科学家推测木卫二的表面温度在赤道地区平均约为-163℃,两极更低,只有-223℃,所以表面的水是永久冻结的。但是潮汐力所提供的热能可能会使冰层下的水保持液态,另外木卫二上长达60小时的白昼,也使得表面冰层的裂口有可能接受到充足的阳光。即便这样,假如有一天人类能征服木卫二,也恐难以长久移居。
火星和木卫二,地球人先到哪一个?
除了木卫二之外,火星被认为是另一个可能存在生命形态的星体,因为科学家研究发现,火星的地下深处仍可能有液态水。与木卫二相比,火星距离地球更近,因此,对于火星生命之谜的探索,科学家也一直高度关注。未来的太空任务已经把火星和木卫二同时作为发射新遥控探测器的最终目的地。火星和木卫二,谁会被最先证明,是地球的兄弟或者陌生人?