朱诺号微波观测揭示木卫二冰壳厚度达18英里

朱诺号微波观测揭示木卫二冰壳深度达18英里

数十年来，行星科学家一直在争论包裹着木星卫星木卫二（Europa）的冰冷外壳的性质，这颗星球长期以来被认为是太阳系中最有可能存在地外生命的候选者之一。核心谜团一直围绕着这一壳层的厚度：它是一个薄且脆弱的遮帘，还是一个巨大的、数英里厚的屏障？来自NASA朱诺号（Juno）任务的新数据发表在《自然·天文学》（Nature Astronomy）杂志上，终于提供了一个明确的答案。利用探测器的微波辐射计（MWR），研究人员确定木卫二的冰壳平均厚度约为18英里（29公里），为该卫星潜在宜居性的模型提供了一个关键的新约束条件。

这一发现是在2022年9月29日一次大胆的近距离飞掠之后得出的，当时太阳能驱动的朱诺号探测器下降到距离木卫二布满裂纹的表面不到220英里（360公里）的地方。虽然朱诺号最初的设计目的是探测木星的深层大气，但事实证明，其携带的一系列仪器在研究木星卫星方面具有极佳的多功能性。通过“窥视”冰层下方，微波辐射计（MWR）能够区分相互竞争的“薄壳”和“厚壳”假说，后者表明在卫星冰封的外表与其隐藏的咸水海洋之间存在着一个更为巨大的屏障。

18英里的屏障：绘制冰壳地图

18英里的测量值代表了木卫二外壳中寒冷、坚硬且具导热性的外部冰层的平均厚度。这一发现平息了一场长期的科学争议，此前的研究估计冰层厚度在不足半英里到数十英里不等。朱诺号项目科学家、来自NASA喷气推进实验室（JPL）的共同研究员Steve Levin指出，18英里这一数字专门描述了纯水冰成分的情况。然而，内部结构可能比单一测量值所暗示的还要复杂。

“如果内部还存在一个温度稍高、具有对流性质的层（这是可能的），那么总的冰壳厚度会更大，”Levin解释道。相反，冰层中溶解盐的存在——这是几种地质模型提出的可能性——可能会改变这一估计。根据Levin的说法，适量的盐度将使计算出的厚度减少约三英里。尽管存在这些细微的波动，数据仍坚定地将木卫二归类为“厚壳”范畴，这一认知对于能量和物质如何在卫星内部移动具有重大意义。

微波辐射计如何穿透冰层

朱诺号团队采用的方法代表了行星探测技术的一次重大飞跃。微波辐射计具有独特的能力，可以探测来自卫星次表面的热辐射。与只能看到表面的光学照相机不同，微波可以穿透固态冰，不同的波长可以到达不同的深度。通过分析这些信号，团队可以创建地壳的热剖面，区分固态冰和可能位于更深处的更温暖、含液体更丰富的环境。

在木星系统的高辐射环境下运行面临着巨大的技术障碍。在短暂的飞掠窗口期内，微波辐射计（MWR）必须在捕获覆盖木卫二近一半表面的数据的同时，过滤掉强烈的背景噪声。这一过程不仅让团队能够测量深度，还能识别冰层内的“散射体”。这些散射体是微小的异常结构——裂缝、孔隙和空洞——估计直径只有几英寸。数据表明，这些特征延伸到表面以下几百英尺，让我们得以详细了解这个异世界的外壳上层。

对宜居性和营养物质传输的影响

厚冰壳的确认改变了人们对木卫二宜居性的看法。为了让生命存在于次表面海洋中，必须有一种机制将氧气和有机营养物质从表面（它们在那里由辐射产生）输送到水中。对于这些生命的基本组成部分来说，18英里厚的屏障意味着一段更为漫长和艰难的旅程。如果冰层较薄，地表物质可能会通过潮汐屈曲或小规模裂缝轻易地循环进入海洋。

由于外壳较厚，营养物质的传输可能取决于较慢的、大规模的地质过程，如对流或大规模的构造运动。微波辐射计（MWR）关于裂缝和孔隙深度较浅的数据表明，这些特征不太可能直接作为通往海洋的“高速公路”。相反，这颗卫星的宜居性可能取决于潮汐加热产生的热能——木星巨大的引力对木卫二不断的挤压和拉伸——这维持了海洋的液体状态，并可能推动冰壳在数百万年间的运动。

通往欧罗巴快船之路

朱诺号的发现为下一阶段的木星探测提供了至关重要的侦察信息。NASA即将开展的欧罗巴快船（Europa Clipper）任务专门设计用于调查这颗卫星存在生命的潜力，届时将携带一种先进的穿冰雷达。朱诺号微波辐射计建立的基准将帮助欧罗巴快船团队改进他们的仪器，并针对冰层可能更薄或地质活动更活跃的特定感兴趣区域进行探测。

“冰壳有多厚，以及冰壳内是否存在裂缝或孔隙，都是理解木卫二潜在宜居性这一复杂谜团的一部分，”来自西南研究院（SwRI）的朱诺号首席调查员Scott Bolton表示。通过提供对壳层深度的首次直接测量，朱诺号已将木卫二从一个理论模型的世界转变为一个具有可测量物理参数的世界。当我们展望未来的任务时，18英里的屏障证明了在太阳系黑暗、寒冷的边缘寻找生命的挑战规模之大，以及潜在的回报之丰。

冰冷世界研究的未来方向

随着科学家们继续处理2022年飞掠产生的大量数据，焦点正转向冰壳的区域差异。虽然18英里的平均值现在已成为一个标准指标，但研究人员渴望确定冰壳在卫星两极或“混沌地形”（chaos terrain，即表面似乎融化后又重新冻结的区域）是否显著变薄。这类差异可能为未来的着陆器最终探测下方水域提供所需的“窗口”。

微波辐射计（MWR）在木卫二上的成功也为研究其他冰冷卫星（如木卫三Ganymede和木卫四Callisto）打开了新门。微波辐射技术已被证明是透视行星内部的强大工具，有效地将探测器变成了遥感“X射线”机。随着对木卫二地壳的这种新认识，我们在太阳系中寻找生命的道路虽然变得更深，但却更加清晰了。