雄心壮志木卫二

作者:风中的自由
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发布时间:2017-11-15 15:55:01

10多年前,科学家们就已经知道,木星的卫星木卫二可能在其表层之下的海洋中存在生命。美国宇航局(NASA)正在按部就班地谨慎实施一个计划,力图在下一个十年查清真相。

时间倒退到1972年。NASA兰利研究中心的科学家正在仔细研究由“水手”探测器所发回的大量火星表面照片,试图找出哪些区域可以作为“海盗”1号和2号——美国首批在火星上着陆的探测器——既安全又有科学价值的着陆地点。一年前的1971年,在“火星”2号着陆器坠毁之后,苏联的“火星”3号探测器第一次实现了软着陆火星。由于正值“阿波罗”计划在进行之中,美国国会对NASA的资金施行了严格的管控,“海盗”任务从1年期缩短到了90天。渴望寻找地外生命迹象的科学家们既不想让价值1.8亿美元着陆器降落到乏味的地点,也不想让它消失在火星的峡谷中。

2016年,美国国会、NASA总部和喷气推进实验室(JPL)正在上演一出极为不同的剧目,那里的科学家们正在制定计划,想要去探测在木星卫星木卫二冰质壳层下方的海洋中是否存在细菌或其他生命。这一次没有了苛刻的紧缩财政和谨慎小心,在尚未对木卫二进行过多年探测的情况下,美国国会打破传统指示NASA向其发射着陆器。

更为具体地,在2016年的拨款法案中,美国国会要求NASA向木卫二发射“一个携带有着陆器的轨道飞行器”并且发射的时间“不晚于2022年”。如何用一枚火箭发射这两个造价高昂的探测器,以及如何在从今往后的6年时间里安全可靠的做到一点,都是需要用智慧来解决的问题。JPL将2022年视为是“最早的发射时间”,它正在研究将一个携带有着陆器的轨道飞行器送往木卫二的多种可能途径。NASA总部则已经批准了对木卫二着陆器的设计方案进行研究,但尚未批准开工建造。

雄心壮志木卫二

[图片说明]:美国宇航局计划在2022年发射木卫二多次飞掠探测器。版权:NASA/JPL-CALTECH。

惊人发现

几乎没有人会怀疑,木卫二是太阳系中最吸引人的地方。咸水是承载地外生命的关键,而木卫二上该有大量的咸水。16年前,伽利略探测器收集到的磁场数据显示,在其表面之下存在一个浩瀚的海洋。除了液态水之外,木卫二上还有热源。如果那里存在有机物的话,那它就具备了原始生命起源和进化所需的环境。有人甚至相信,木卫二上存在有生物。这些发现着实令人神往。于是,2011年美国的行星科学家把木卫二探测项目定为2022年前优先级第二高的任务,仅次于对火星采样并返回地球的无人探测项目。

这一决定引起了一位美国国会议员的注意。来自美国德克萨斯州的众议员约翰·卡伯森(John Culberson)已经成为了木卫二任务最热情的支持者。

卡伯森在接受电话采访时表示,我们需要一个伟大的发现来激励公众,巩固NASA业已获得的巨大支持。这一发现可能是在木卫二的海洋中发现生命。他预测,这将促使美国给予NASA更多的资金,由此实现其所有的期望,保持NASA在世界太空探索领域——无论是载人任务,还是无人任务——中的领导地位。

2014年当卡伯森成为众议院NASA建议拨款委员会的主席时,资金开始源源不断地注入雄心勃勃的木卫二任务。NASA在2015年财年申报了1500万美元,以此来继续建造“木卫二快船”探测器,它会在环绕木星的轨道上多次飞掠木卫二。卡伯森提议把这个数字乘以7增至1亿美元。美国参议院通过了这一提议,这很可能是因为它将使用NASA尚未启用的空间发射系统火箭及其上面级来发射。

美国时任总统奥巴马签署了这项1亿美元的开支法案,使之成为了2015年NASA共计180亿美元资金的一部分。在奥巴马签署的综合拨款法案中,美国国会更进一步要求把发射的时间定在2022年并且使用空间发射系统来实施。但不管怎么样,NASA原本3000万美元的诉求一下子猛增到了1.75亿美元。于是,“木卫二多次飞掠”任务就此诞生。

卡伯森开玩笑说,在木卫二的冰天雪地中,可能有一些冻虾、冻磷虾或天知道的东西。他希望NASA能在木卫二上发现一些超出有机分子层面的东西,而这绝对不是玩笑。

雄心壮志木卫二

[图片说明]:通常认为,土卫二上的裂缝表明它可能拥有一个全球性的海洋。版权: NASA/JPL-Caltech/SETI Institute。

不一样的路线

美国国会对木卫二计划的领导与NASA的传统做法形成了鲜明的对比。作为传统道路的第一步,一个探测器会飞过一个从未被探测过的天体,发回有关的图像,就像NASA在20世纪90年代环绕木星的伽利略探测器对木卫二的探测那样。若干年后,会专门发射另一个探测器去勘测该天体的表面并研究其地质特征,就像NASA原计划中的“木卫二快帆”。只有在所有这些工作都完成之后,科学家们才会有胆量发射一个载满了科学仪器的无人着陆器。

卡伯森决心压缩这一过程。首先科学家们将通过环绕飞行器发回勘测图像,然后指挥在环木星轨道上休眠的着陆器降落到指定地点。美国国会指向性地告诉NASA发射“一个携带有着陆器的轨道飞行器”,这听起来像用一枚火箭发射两个航天器。在现实中,就这一做法是否是最佳途径,存在有大量的争议。当被问及是否认为美国国会的说法存在回旋的余地时,NASA发表声明表示,NASA已经指派JPL来研究把着陆器送往木卫二的各种途径。NASA、美国政府和国会将由此来决定把一个着陆器安全送达木卫二的最佳办法。

2016年初,NASA局长查尔斯·博尔登(Charles Bolden)告诉众议院下设委员会,他个人的“强烈建议”是“把轨道飞行器和着陆器分开,由此来最大化两者的成功几率。”JPL的主任查尔斯·埃拉奇(Charles Elachi)则告诉该委员会,没有必要着急做决定。他说:“从现在起还有3年的时间,我们可以来决定是一起还是分开发射。”

有关这些讨论,主持听证会卡伯森表示,在把细节交给NASA的同时,为其木卫二任务提供充足的资金也是非常重要的。他说,可以先发射轨道器,然而再发射着陆器。但是,从技术的角度来看,他补充说,NASA当然也“可以一起发射。我已经阅读了有关这一技术的多份详细报告。不过,我仍将会遵从工程师和科学家们的最佳建议。毕竟这事儿得由他们来弄明白。”

如果NASA的工程师和科学家们正在感受到微观管理的话,他们并没有给公众留下这一印象。NASA正在组建一个团队来为木卫二着陆器设定科学目标并选择仪器,它会依赖NASA最近在开发火星着陆器时获得的技术。它看起来会非常像JPL以前开发的一些技术,而对于技术上JPL非常有信心,在适当的资助之下,该任务能够在可接受的风险之下来完成。

雄心壮志木卫二

[图片说明]:木卫二拼接图像,由美国宇航局伽利略探测器的原始数据生成。版权:NASA/JPL-Caltech/University of Arizona。

忧虑成本

一些科学家担心,这个雄心勃勃的木卫二任务会吸干其他同样有价值的探测任务的资金。这一担心可以追溯到2008年。当时有一个失败的提案,提出建造一个木星木卫二轨道飞行器,在花9个月的时间来环绕木卫二之前,它会多次飞掠木星的4颗伽利略卫星。但是,该项目的成本高达45~50亿美元,NASA被要求必须想个方法来把成本减半。

于是就有了“木卫二快船”计划。通过以大椭圆轨道来围绕木星,“快船”只会在木星剧烈的辐射环境中逗留相对较短的时间。这可以减少对其电子和科学仪器所需的防护力度。防护会增加探测器的质量,而额外的质量也意味着更高的发射成本。每2~3周,该探测器就会近距离飞掠木卫二一次,收集其化学成分、地貌、磁场以及水冰壳层厚度的数据。科学家们对于“快船”计划都很高兴——只需木星木卫二轨道飞行器一半的费用,即可实现其90%以上的科学目标。

美国国会指引下的木卫二多次飞越任务将更加雄心勃勃。它也采用了类似于“木卫二快船”的大椭圆轨道,但它还增加了一个着陆器并且力图在更早的时间发射。尽管美国国会要求发射“一个携带有着陆器的轨道飞行器”,NASA还没有决定究竟该如何把着陆器和轨道器送入太空。

在先前的计划中,“木卫二快船”将使用现有的火箭发射,花6.5年的时间前往木星。一枚空间发射系统火箭则可以把轨道飞行器送入一条直接飞向木星的轨道,预计到达时间会在2024年或2025年。另行发射的着陆器也可以遵循相同的路径。如果使用一枚空间发射系统火箭来同时发射这两者,那么因总质量超重将无法使用直接路径。取决于所选择的轨迹,这两个探测器将会在2027年或2030年到达。

问题是空间发射系统是否能在2022年一切就绪。空间发射系统火箭的第一次发射计划在2018年进行,不载人;第二次发射和首次载人飞行安排在2023年进行。

2016年3月,美国审计署估计,即使没有一个着陆器,木卫二多次飞掠任务仍将在其寿命内耗费30~40亿美元。这个数字包含了火箭发射该探测器的费用,但并不包含发射着陆器的支出。由于尚未批准着陆器计划,或者是因为还没有确定其最终将搭载的仪器设备,NASA尚未公布木卫二着陆器的成本信息。很多不愿意透露姓名的美国科学家都对此表示了担心,认为这是一项负担不起的任务。

NASA发现自己被夹在了美国国会热情的支持者和白宫管理和预算办公室之间。在审议2016年财政预算期间,管理和预算办公室主任肖恩·多诺万(Shaun Donovan)在给众议员哈尔·罗杰斯(Hal Rogers)的信中就抱怨道,国会正在指挥着“一笔不切实际的经费流向木星木卫二任务”。罗杰斯是美国众议院拨款委员会的主席。奥巴马在2015年12月签署的这项拨款法案从NASA其他的科学项目削减了2亿美元,从空间技术削减了1亿美元。

在2016年3月的听证会上,博尔登援引NASA探测火星的做法并将其视为是木卫二任务更明智的示范。1965年NASA的“水手”4号探测器获得了火星的第一批图像。11年后,NASA的“海盗”1和2号探测器拍摄了火星表面的图像,使得科学家们能挑选出“海盗”着陆器于1976年降落的地点。光使用“水手”的图像有很大的局限性。他说,在决定着陆地点前,必须要确保完全了解那里。

陌生的卫星

NASA现有木卫二的最佳图像来自20世纪90年代伽利略探测器所拍摄的影像。这些图像中最好的可以以每像素10~20米的分辨率显示出木卫二表面的一小部分区域。NASA所拍摄的其他木卫二低分辨率图像分别来自2007年前往冥王星的新视野探测器、2001年前往土星的卡西尼探测器和1979年去往木星、土星、天王星和海王星的旅行者2号探测器。

NASA木卫二项目的科学家在2015年一次新闻发布会上表示,他们并不知道在着陆器的尺度上木卫二的表面是什么样子的,它是平滑的,还是崎岖不平的。在没有这些信息的情况下,很难设计出一个能够存活下来的着陆器。

这些问题并没有让JPL的工程师们陷入困境。他们已经向美国国会申请了额外的资金来研究足以应对恶劣地形的着陆器概念。卡伯森会定期听取JPL工程师的简报,他们提出木卫二着陆器将不会采用金属支撑腿,而是将着陆器做成多边形,这样它的任何一面都能够用来着陆。1997年NASA登陆火星的火星探路者就采用了类似的方案。安全气囊根据设计充气,缓冲,然后放气。此后,三个三角形的金属瓣打开,作为太阳能电池阵列,“旅居者”则从其中驶出。NASA正在地球上寻找预计会和木卫二上着陆地点相似的地貌。在那里他们会对着陆器及其所面临的风险进行评估,为最坏的情况做好准备。

在新的木卫二着陆器触地之前,NASA还需要更有想象力的研究。如果着陆器与轨道飞行器一同飞抵木星木星,那么它会停留在一条大椭圆轨道上,以降低暴露在辐射下的几率;与此同时,轨道飞行器会花1~2年的时间来勘测,拍摄其表面上冰裂缝附近潜在着陆地点的高分辨率图像。科学家怀疑在这些表面的裂缝处可能存在着由木卫二海底的热液喷口所喷出的物质。木星的辐射会破坏长时间留存在表面的有机分子,但位于裂缝附近的物质也许能给科学家们窥探其海洋底部化学特性的机会。一旦科学家们确定了着陆地点,第二个探测器就会携带着着陆器飞向木卫二表面。天空升降机将释放绳索把着陆器投放到木卫二上,NASA已通过这一方式把火星科学实验室降落到了火星表面。卡伯森预期,它将会是在最有利地点非常柔软且安全地着陆。

雄心壮志木卫二

[图片说明]:从木卫二冰缝中喷射出水蒸气的示意图。版权:NASA/ESA/K. Retherford/SWRI。

褐色泥状物

一旦触地,对于着陆器上的仪器会发现些什么有各种猜测。若能发现有机分子科学家们肯定会为之兴奋不已,不过卡伯森和其他人显然期望的更多。

2012年哈勃空间望远镜通过成像摄谱仪可能探测到了从木卫二表面喷出的水蒸气羽状物,轨道飞行器将会穿过这些羽状物,使用其搭载的质谱仪来寻找其中的有机分子。如果没有探测到羽状物,NASA将试图在木卫二表面的裂纹附近着陆,那里可能存在着来自下方水体中的新鲜沉积物。目前,NASA把在这些裂缝周围可见的物质称为“褐色泥状物”。科学家们将会在木卫二表面寻找周围存在有新近沉积物的裂缝来作为潜在的着陆地点。

着陆器上还会携带一台地震仪,它将用于测量冰层的厚度,因为要想知道木卫二冰壳之下到底有什么,那最好办法就是钻探。NASA目前还不知道究竟该如何来完成这个任务,但卡伯森希望工程师们能够开始研发在木卫二冰层上融化出一个空洞的技术。

“我有生之年可能看不到这一幕了,但我会确保为发射一个钻探器奠定基础,它将使用高温热源来融化冰面,然后进入到木卫二的海洋之中,使用传感器来嗅探其底部热液喷口,并把信号发送回留在冰壳下方的天线,”卡伯森说,“这是绝对是可以实现的。”

对于眼前的木卫二探测任务,卡伯森同样充满自信。对于NASA而言,木卫二任务是其唯一一项必须依法来执行的任务——不执行就是违法。

文章来源:果壳网

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