科学研究 - 地外生命“发现前夜”，日本参与开发的探测器启程前往木星卫星

芥川龙之介曾说 “生命并不一定具备我们的五官能感受到的条件”（出自警句集《侏儒的话》），果真如此吗。在21世纪的今天，人类发射了新的太空探测器向这句话发起挑战。欧洲发射的“JUICE”探测器就旨在木星的卫星上寻找地外生命的线索。日本也参与了其中重要观测仪器的开发和科学研究。该探测器将在8年后到达木星。那么，木星的卫星上到底是否存在生命，又是否可以用科学技术磨炼的“五感”捕捉到呢？

环绕木卫三（Jupiter III Ganymede）飞行的JUICE探测器想象图（供图：JAXA）

“回答人类最大的疑问”

JUICE于日本时间4月14日晚9时14分，由欧洲阿丽亚娜5号（Ariane 5）火箭搭载的探测器从南美洲法属圭亚那太空中心发射升空。经过28分钟的平稳飞行，成功进入了1500公里高空的地球逃逸轨道。又经过22分钟后，当JUICE的信号在地面上得到确认时，管制员们纷纷高兴地鼓掌拥抱庆祝。欧洲航天局（ESA）负责人约瑟夫·阿施巴赫（Josef Aschbacher）表示：“为了回答人类最大的疑问，我们将共同扩展科学和探索的极限”。 ESA在翌日的15日晚上公布了逐渐远离地球的JUICE所拍摄的第一批图像。

这是ESA首次探索木星系，也是长期开发计划“宇宙愿景（Cosmic Vision）”的首次大规模探索。JUICE探测器含燃料重6吨，太阳能电池展开后的宽度为27米，是太阳系探测器史上最大的航天器。搭载了包括日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）和日本信息通信研究机构（NICT）参与开发的4台、共计10台观测仪器。

未来，JUICE将利用地球、月球和金星的引力反复改变轨道和速度进行“绕行星变轨（swing-by）”，将于2031年7月到达木星轨道。观测木星的大气层和磁层，并对3颗卫星进行35次接近探测，之后将于2034年12月进入3颗卫星中最重要的木卫三轨道。2035年9月，将与木卫三撞击，结束使命。JUICE是“JUpiter ICy moons Explorer，木星冰月探测器”的缩写。不知道相关人员是否有用果汁来干杯庆祝发射成功之意。

（左）搭载JUICE的阿丽亚娜5号火箭发射升空的情景（日本时间4月14日晚，法属圭亚那，供图：ESA），（右）发射4分钟后JUICE拍摄的地球（供图：ESA等）

伽利略发现的卫星上有海吗？以及…

统括JAXA的JUICE科学研究项目，探索生命起源的东京工业大学地球生命科学研究所所长关根康人强调，“尽管由欧洲主导，但日本在其中的科学领域发挥了非常重要的作用。日本终于踏上了探索太阳系气态巨行星和寻找生命存在可能性的征程，这将成为一次令人难忘的探索。”

从太阳的角度来看，木星是排在地球之外的第2颗行星。它的直径是地球的11倍，重量是地球的318倍，是太阳系中未能成为恒星的最大行星。木星没有像地球或火星那样的坚硬的地面，大部分的重量由氢和氦构成。因此，与土星一起被归类为气态行星。

那么，为何要在木星上寻找生命呢？JUICE的探测目标是环绕木星的大大小小95颗卫星中的3颗。木星由内向外依次有4大卫星，分别为木卫一·伊奥（Io）、木卫二·欧罗巴（Europa）、木卫三·盖尼米得（Ganymede）和木卫四·卡里斯托（Callisto），由于这四颗卫星是被伽利略·伽利雷在1610年发现的，因此也被统称为伽利略卫星。除了拥有活火山的木卫一·伊奥外，其余3颗都是表面被厚厚冰层覆盖的“冰卫星”。在这些卫星上，由于木星巨大引力引起的潮汐效应会使冰变形，从而产生热量。由此，科研人员认为其冰层下方存在冰融化形成的海洋。按照关根所长的说法，木卫二·欧罗巴上几乎确定存在地下海，木卫三·盖尼米得上存在地下海的可能性也很大。此外，在近十年的研究中，人们开始越来越多的探讨木星和土星等冰卫星的海洋中存在生命的可能性。

伽利略卫星。从右上侧按顺时针方向分别是木卫一·伊奥、木卫三·盖尼米得、木卫四·卡里斯托和木卫二·欧罗巴（供图：NASA，合成照片）

一般认为液态水、有机物和能量是孕育生命必不可少的三要素。地球上只要有这些东西的地方，就一定有生命存在。因此，关注要点就成了这些卫星上是否同时存在这三要素。

在地球的深海底部，存在被岩浆加热的热液喷口。据悉在这里存在着通过从水和岩石在高温下发生反应产生氢气，从而获取能量生存的独特微生物生态系统。研究人员推测，冰卫星的海洋中或许也存在能量和有机物。如果存在生命，应该会有新陈代谢活动产生的物质或身体的部分物质。JUICE将从卫星上空探查从卫星地表喷出或落下的海水成分。

关根所长表示，“日本的地球化学、地质学和行星科学界共同合作，已经在世界上率先揭示了土星卫星的地下海成分。日本具有领先优势”。根据探测器的数据和再现实验，证实土星的卫星·恩克拉多斯（Enceladus）满足了生命存在的三要素，并且海底有类似热水喷出口的迹象。

另一方面，紧追JUICE之后，美国也计划于2024年10月向木卫二发射“欧罗巴快船”（Europa Clipper）探测器。不起眼的木星卫星，现在已经成为欧美争夺“人类历史上最大发现”的舞台。

木星的大迁移会对太阳系造成怎样的影响

2019年哈勃太空望远镜拍摄到的木星（供图：NASA、ESA等）

JUICE的另一个探测主题是太阳系的起源。关于太阳系的起源，人类至今尚未完全弄清楚。

目前一般认为，在太阳系早期，由气体和尘埃聚集的云团形成小天体，小天体通过反复碰撞合并演化成行星。靠近太阳的行星由于高温，水分被蒸发，形成岩石星体，远离太阳的行星则会因为低温而形成冰行星。然而，近20年来，太阳系之外不断发现以往理论无法解释的行星，所以行星系形成理论似乎又被归零了。

小行星探测器“隼鸟2号”的观测结果等表明，水和有机物遍布太阳系的广泛区域。有观点认为，其原因是拥有巨大引力的木星的移动，搅动了太阳系内部，使许多带有水和有机物的小天体散落到了各处。

被认为极大影响了太阳系状态的木星是何时、何地、如何形成的，以及经历过怎样的迁移？对于由气体构成的木星来说，由于气体会很快抹去事件发生的证据，所以想要了解真相非常困难。所以，研究容易留下陨石坑等的由固体构成的，且与木星有着相同历史的卫星会更加便利。包括被认为到达地球的生命材料物质的起源在内，对木星卫星的详细研究，有望成为明确太阳系历史的关键。

太阳系外已经发现了很多和木星一样的巨行星，对木星的研究也有望对探索这些行星迁移的可能性提供线索。关根所长解释说，“这将有助于我们了解像地球这样拥有海洋和大气的行星诞生的概率，以及生命是否是一种特殊的存在。”

了解不同于地球的磁层

地球和木星等部分行星具有使整个行星看起来像一块巨大磁铁的磁场。另一方面，太阳会通过太阳风射出带电粒子和等离子体。磁场被太阳风抑制，形成一个环绕地球的磁层圈。如果没有磁场，太阳风就会吹走地球的大气，如果没有太阳风，来自遥远太空的对生命有害的粒子就会降落在地球上。了解磁场、磁层和太阳风的特性将深化物理学知识，以及对行星孕育生命的条件的理解。

木星拥有太阳系中最强的磁场，且高速旋转，剧烈加速周围的等离子体。研究其详细机制和影响是JUICE的另一个重要课题。今后将进一步详细调查木卫一产生的等离子体加速和太阳系的卫星中唯一具有固定磁场的木卫三。

JUICE的JAXA团队负责人斋藤义文教授表示，“木卫三的固有磁层又嵌入在木星的大磁层中，我们想通过了解这种与地球不同的特殊条件下发生的现象，从而加深理解。”关根所长补充说：“等离子体的观测对于地外生命的研究也很重要。”这是因为等离子体撞击冰卫星表面时会分解冰并产生氧气等。

JUICE探索木卫三磁层的概念图。木卫三磁层位于木星磁层内，形成“双重磁层构造”（供图：JAXA）

日本在观测仪器开发方面发挥了重要作用

日本在JUICE的4个观测仪器的开发中发挥了关键作用。NICT负责开发了观测卫星的大气和地表的“太赫兹光谱仪”，JAXA负责开发了调查木卫三地形及其变化的“木卫三激光高度计”、观测等离子体碰撞产生中性粒子的“等离子体环境观测容器·非热中性粒子分析仪”，以及有助于阐明磁层、卫星大气、地下海等的“电磁波·等离子波动观测器”。在科学研究项目方面，日本参与了JUICE的所有研究课题。另外，美国和以色列也参与了JUICE项目。

负责激光高度计的JAXA盐谷圭吾副教授表示：“如果木卫三有地下海，卫星就会因潮汐效应而变形。如果地下是固体，则不会产生这种效果。所以可以通过测量确定海洋的存在与否。”

日本的研究人员多年来也一直密切关注着木星，在JUICE之前，曾一度探讨过单独开发木星探测器事宜。但由于2011年东日本大地震导致预算削减等因素，开发被迫中止。JUICE将在8年后到达木星，这个过程似乎有些漫长，但在此之前，不仅是科学界，大众也对此满怀期待。

理解生命，需要综合知识

木卫二表面喷水想象图。由哈勃太空望远镜拍摄，于2013年发表，被认为来源于地下海。在那里，生命是否存在……（供图：NASA、ESA等）

近年来，日本的太阳系探索伴随着隼鸟1号和隼鸟2号的出现而备受瞩目，但同样值得注意的是，日本的探索领域正向水星、木星扩展。日欧联合的水星探索计划“BepiColombo”（比皮科伦坡）探测器正朝着水星航行，预计2025年末抵达。金星探测器“晓”号虽历经磨难，已于2015年进入金星轨道，现正在飞行之中。此外还有从火星卫星火卫一（Phobos）上收集样本并运回地球的“MMX”计划。

对于月球，有JAXA实证高精度软着陆技术的“SLIM”计划。民间企业方面，宇宙初创企业ispace（东京）的计划“Hakuto R（白兔号）”的着陆器（4月26日因高度探测出错，月球表面软着陆宣告失败）。

总而言之，尽管可能有些过于乐观，但笔者（50岁）即便见不到土卫星的样子，仍期待着能在自己的有生之年了解到人类发现地外生命存在的科学证据。现在正处于“发现前夜”，这样想至少能让生活多少变得有趣一些。继本文开头提到的那句话之后，芥川龙之介还写道，火星生命“今晚或许也会伴随着将梧桐染黄的秋风来到银座”。虽然我不知道它们是否在银座，但我相信在火星上，即便是以地下微生物的形式，或许存在着不为人知的生命。

每当笔者看到或听到以JUICE为代表的太阳系探索、系外行星观测及理论研究相关的信息时，就会充满期待。通过向系外行星发射探测器，即便无法找到确切证据，也有望获得生命存在的痕迹。另一方面，如果“没有找到”的情况一直持续的话，该如何看待地外生命探索项目本身呢？为了加深对生命的理解，不仅需要理工学的各领域，还需要结合人文和社会科学领域的综合知识。寻找地外生命将让人类认识到这颗星球（地球）的宝贵，以及让我们对如何更好地生活有更好的视野。