木卫二探索发现

2016-07-21 11:50 作者:admin 来源:网络

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

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[3]  。

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。

美国宇航局正在筹划一项前往木卫二的探测计划,预计于2022年左右发射升空。科学家们希望能够确认这颗冰卫星上是否存在宜居环境[4]  。

 

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,

人类能否在木卫二“欧罗巴”星球上生活?来自美国宇航局的专家认为这颗木星具有较大的“宜居”潜力,未来可能适合人类居住。下一步,科学家将发射探测器对木卫二的冰下海洋进行调查,确定其厚度和分布情况,有研究认为木卫二的海洋可能与地球相似,也具有一定的盐度。美国宇航局喷气推进实验室博士罗伯特·帕帕拉多认为派遣探测器降落木卫二表面是一个非常有远见的行星科学目标,同时也是一个困难的技术挑战。

一篇来自《天体生物学》期刊的文章详细描述了未来木卫二探索任务的三个主要目标:第一,至少要在两个不同深度上监测木卫二海水盐度、有机物质以及其他污染物等;第二,调查木卫二冰壳、海洋物理环境以及表层物质磁学特性;第三,科学家希望探测器能传回木卫二表面地表特征的照片。木卫二被称为“欧罗巴”星球,其表面有着各种各样奇怪的地形,酷似仙境,根据伽利略探测器的观测数据,科学家依然不了解该天体表面上错综复杂并交织在一起的“神秘细线”,派遣探测器登陆木卫二可以解决许多关键问题。

2013年3月,科学家认为有充分的证据显示木卫二的冰冻表面下拥有巨大的咸水海洋,冰下海洋与表面还存在化学物质的交换,使得海洋中的化学物质更加丰富。加州理工学院天文学家麦克·布朗教授认为能量可以从这些化学循环通道中进入木卫二的冰下海洋中,这对生命而言是非常重要的。


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。


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hv588鸿运国际任务的探测器,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hv588鸿运国际中,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?[5] 


木卫二发现黏土型矿物

美国航天局11日宣布,在最可能有生命存在的木星卫星——木卫二的表面首次发现了黏土型矿物,这意味着木卫二可能存在对形成生命至关重要的有机物。

美国航天局当天在一份声明中说,在木卫二表面发现了一种叫做层状硅酸盐的黏土型矿物,这种矿物很有可能是由彗星或小行星撞击木卫二带来,而带来黏土型矿物的彗星或小行星通常也携带有机物。


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),

2013年12月11日美国国家航空航天局(NASA)宣布,探测器在被冰雪所覆盖的木卫二上发现了其与彗星及小行星撞击后形成的类似黏土状的矿物质。根据“伽利略”号探测器1998年拍摄到的木卫二近红外线图片来看NASA研究小组认为,木卫二上有一种与酰基氯类似的矿物。由于小行星或彗星的中心核中蕴含可形成生命的有机物NASA研究者表示,木卫二的冰雪表层下极有可能隐藏广袤的海洋,历经漫长时间后或许有育成生命的可能性,


发现喷泉

美国和德国研究员发表报告称,在木星的卫星之一“木卫二”上,发现有间歇性喷发的喷泉,这是木卫二冰冻表面下隐藏着一个巨大海洋的最好证据。一旦有了水,也就意味着可能有生命!长久以来,科学家们都认为“木卫二”可能存有生命。

外媒称,新的研究显示,木星的一个卫星—木卫二有丰富的重要矿物质,还有从地下海洋里喷发的壮观水柱这可能是太阳系里又一个宜居之地。

据英国《独立报》12日报道,哈勃望远镜确认了木卫二上间歇性喷发的两处巨大羽状水柱,高达两百千米,另一项研究在该星球冰冻表面发现了散落的泥土似的矿物质。

《科学》杂志上发表的文章说,通过对哈勃望远镜的数据进行分析发现,水柱通常在木卫二围绕木星轨道运行时的某些特定时刻喷发,这表明喷发原因是周期性的巨大潮汐力使该星球地下海洋的压力增大,使其液体从表面的冰缝喷涌而出,
 

报道指出,在已知的63个木星的卫星中,木卫二是最重要的一个。天文学家认为,它的冰层表面之下有海洋存在这是由于潮汐力的热量使其保持液态。一些科学家认为这片海洋中可能有生命,而矿物质和潮汐热能可以为其提供能量。
 

另一项对美国航天局伽利略项目收集的数据的研究显示,在木卫二表面发现的重要泥土类矿物质可能是该星球此前与小行星或彗星相撞产生的。

美国航天局喷气推进实验室的吉姆·雪利说:“我们经常在彗星或原始小行星上找到构成生命的重要物质—有机矿物质在木卫二的表面发现与这类彗星相撞的残留物可能为我们在该星球寻找生命开启新的篇章。”
 

据报道,很多科学家认为木卫二可能是太阳系里除地球外最适宜生命存在的星球。