神秘的木卫二为何难以接近？人类即将开启7年太空远征

原创 哈尔鲍曼9000 科学剃刀

对于防辐射，JUICE的核心有一个“核掩体”，需要的功率比吹风机还少，但它仍然无法在木卫二存活太久。

木卫二可能是太阳系中最有可能容纳外星生命的天体，但其表面的人类会在一天内患上严重的辐射病。

欧洲的木星冰月探测器（JUICE）宇宙飞船将于下周开始对木星的卫星进行雄心勃勃的探索之旅。但这项任务只会对可能拥有生命的卫星木卫二进行最简短的一瞥而不会长时间绕行。原因如下：

欧洲的木星冰卫星探测器（JUICE）依靠半个吹风机相当的功率生存，并设有一个“核掩体”来保护其电子设备免受辐射，是一个技术奇迹，不会在欧罗巴存活很长时间。木星的四个主要卫星中最小的一颗可能是太阳系中最有可能在其冰雪覆盖的海洋中容纳外星生命的地方;然而，根据美国宇航局的说法，该木卫周围的环境非常恶劣，最多几个月就能失能一艘宇宙飞船。

去木星从来都不是一件容易的事。你离这颗气态巨行星越近，你想在它附近停留的时间越长，它就越棘手。木星离太阳的距离是地球的五倍，生活在太阳系的曙暮光区，只接收到我们星球获得的阳光的4%左右。这意味着任何希望依靠太阳能的访问航天器都必须拥有巨大的太阳能电池阵列。挑战只是从这里开始。木星的磁场比地球强10，000倍，这可能对航天器的科学测量产生影响，空中客车防务和太空公司科学项目负责人贾斯汀伯恩告诉 Space.com，他领导了建造JUICE航天器。最糟糕的是，这种超强磁场捕获并增压了木星及其火山高度活跃的最近卫星木卫一，因此，行星附近的辐射水平与核爆炸的中心一样高。

卫星辐射病

木卫二绕木星运行的距离为417，000英里（671，000公里），几乎是月球 - 地球距离的两倍，是木星第二近的卫星。木卫二周围的辐射水平并不像最近的木卫一周围那么高，科学家们知道木卫二周围轨道上的物体在一天内接受的辐射剂量为5.4西弗特，是导致人类严重辐射病的两倍多。当然，航天器不是人类，但伯恩承认，但即使这样的辐射水平也超出了航天器设计师习惯建造的规格。

“我们习惯于在太空中处理辐射，”伯恩说。“绕地球轨道运行的任务必须穿过地球的辐射带，但那里的辐射水平远不及航天器在木星附近暴露的水平。

高水平的辐射对电子产品和太阳能电池板来说是个坏消息。Byrne说，辐射越强烈，电子系统故障越早，太阳能电池阵列退化得越快。出于这个原因，美国宇航局自己的欧罗巴快船任务不会直接从月球轨道寻找木卫二上的生命痕迹，而是在木星周围更宽的轨道上进行短暂的定期访问。出于这个原因，欧洲航天局（ESA）选择了木星最大，有点舒适的卫星木卫三作为JUICE的主要目标。

欧洲木星探测器JUICE的电子设备被包裹在一个铅线拱顶中，保护它们免受地球周围的严重辐射。（图片来源：欧空局）

舒适的木卫三

虽然木卫三比木卫二不太可能孕育生命，但据科学家称，但也远非无聊。木卫三比太阳系最小的行星水星还要大，是整个太阳系中最大的卫星，也是唯一已知会产生自己磁场的卫星。2034年，在JUICE抵达木星三年后（如果一切按计划进行），木卫三将成为除地球自己的卫星之外第一个在其轨道上拥有航天器的卫星。

木卫三绕木星运行的距离为665，000英里（1，070，000公里），是四个主要卫星中第三接近气态巨行星的木卫三。木卫三周围的辐射比木卫二弱约100倍，伯恩说。尽管如此，如果没有一些以前从未使用过的解决方案，JUICE航天器将无法在这种环境中长期生存。

在2.7吨（2.42公吨）航天器的核心是一个铅衬里的拱顶，里面装有所有的航天器电子设备（除了旨在研究木星系统中极端环境的科学仪器）。

“JUICE上有几公斤的铅，”伯恩说。“这有效地限制了可以到达电子设备并延长其寿命的辐射量。但最终，他们会报销。你不能永远阻止它。

伯恩补充说，如果航天器要去欧罗巴，这个铅衬里的核迷你掩体必须更加坚固。

JUICE的太阳能电池阵列占地914平方英尺（85平方米），但在木星周围昏暗的世界中，只能产生与吹风机一样多的电力。（图片来源：空中客车公司）

太阳能电池板的消亡

但是，虽然有一种保护电子系统的解决方案，但太阳能电池阵列完全暴露在辐射中。伯恩认为，在木星周围恶劣的环境中，JUICE太阳能电池板的退化将导致任务的最终消亡。

由于木星与太阳的距离以及行星周围阳光强度低，JUICE的太阳能电池板必须是巨大的。这些阵列设计为两个十字形机翼，占地915平方英尺（85平方米）。Byrne说，尽管有如此巨大的尺寸和约30%的破纪录效率，但阵列甚至不能产生足够的电力来为吹风机供电。

“这已经是一个非常小的功率，随着它们由于辐射而在一生中退化，它们的性能将下降到没有足够的功率来执行任务的程度，”伯恩说。

JUICE被设计为在首先绕木星运行，然后是木卫三轨道运行四年。在进入木卫三的轨道之前，该航天器将在木卫二进行两次飞越，在最遥远和探索最少的卫星木卫四进行21次飞越，在木卫三进行12次飞越。伯恩相信，来自欧洲各地的空中客车工程师和他们的合作者建造了足够坚固的航天器，以完成其任务。然而，与许多其他任务不同，JUICE不太可能超过其预期寿命。

“它可能会存活更长的时间，但它不会像许多其他任务那样持续10年，”伯恩说。

除了极端的辐射环境外，由于木星卫星的大量耗油飞掠，该任务还将消耗大量的燃料。

“将会有很多路线修正，轨迹变化，”伯恩说。“这将需要大量的燃料。因此，要么燃料首先耗尽，要么太阳能电池阵列会降解，这将导致我们终止任务。

运营商希望及时结束JUICE的任务，将其送入木卫三，以防止航天器变成失控的太空垃圾，并可能在以后撞上木卫二，用地球微生物污染它。由于科学家认为木卫三不太可能拥有生命，并且由于它的表面似乎与地下海洋没有接触（与更活跃的木卫二表面不同），专家们并不担心JUICE会弄乱木卫的原始冰壳。

木星最大的卫星木卫三将成为JUICE的主要目标。（图片来源：ESA / ATG MediaLab）

那么，将JUICE送入木卫二轨道需要什么呢？

但是，面对所有这些挑战，这是否意味着不可能有一艘航天器绕木卫二运行，木卫二是太阳系中最有可能容纳外星生命的地方？

伯恩说，工程师们目前正在研究这些可能性，希望在更遥远的未来向欧罗巴发送无菌着陆器。

“这是一个正在考虑的挑战，”伯恩说。“它需要更多的电子设备保护，可能还需要更大的太阳能电池阵列。这意味着更多的质量。但我们也许可以做到。

根据欧空局的JUICE发射套件，这样的任务只有在JUICE和美国宇航局的快船（定于明年发射）完成任务多年后才能起飞。这两项任务将接替自2016年以来一直在研究木星的美国宇航局朱诺号宇宙飞船，为我们最终与木卫二的潜在和可能的微生物生命相遇铺平了道路。

关注科学剃刀，每日推送关于核聚变、理论物理、太空探索的最新动态，SpaceX为专题日更

原标题：《『神秘的木卫二为何难以接近？人类即将开启7年太空远征》

阅读原文