木星这颗奇异的卫星是我们寻找外星生命的最佳希望吗？

科学频道节目 《Brink》

根据这篇《发现》杂志的故事制作了一个片段；请观看下面的视频。

帕帕拉尔多在长岛长大，很早就被天文学吸引。他七岁时就开始把行星挂在卧室的天花板上。20世纪80年代中期在康奈尔大学学习期间，他旁听了卡尔·萨根的研讨会，并被遥远卫星上存在海洋的猜测所吸引。20世纪90年代末在布朗大学担任研究员时，伽利略号任务首次将该行星冰卫星的详细图像传回地球，帕帕拉尔多参与了这项工作。后来，他在科罗拉多大学博尔德分校找到一份工作，之后搬到喷气推进实验室（JPL），那里是太阳系探索的圣地。

帕帕拉尔多低调、近乎羞涩的举止和休闲的科学着装风格具有欺骗性。他属于精明的新一代研究人员，他们不仅能轻松地在NASA总部大厅里穿梭，主持同事会议，或与国会工作人员聊天，也能自如地在办公室里处理数据。但多年来，他的信念、人脉和有说服力的论点不足以让木卫二任务获得绿灯。1996年，在一块来自火星的陨石中发现所谓的化石，这一惊人发现重新点燃了公众和科学界对火星的兴趣，NASA随后开启了一系列两年一次的任务，以解决火星生命（过去或现在）的引人入胜的问题。很少有资金被分配给其他行星任务。

与此同时，工程师们正在努力应对木卫二猛烈辐射带来的技术挑战。找到一种方法来保护航天器及其传感器免受这种恶劣环境的侵害，结果证明异常困难，木卫二任务的成本估算也因此飙升。即便如此，没有人能保证任务的研究阶段能持续超过一个月。这意味着每天要花费超过3000万美元来探索木卫二。NASA于2002年放弃了这项努力。

不久之后，木卫二任务在与实验性离子推进系统（由核裂变反应堆提供动力）联系起来后又复活了，这是当时NASA局长肖恩·奥基夫的得意想法。但这项努力在奥基夫于2004年底辞职后夭折，该机构也放弃了该系统。到那时，2003年哥伦比亚号航天飞机的损毁，加上NASA几项大型科学任务的成本超支，给该机构的资金带来了巨大压力。向外太阳系发射大型航天器的计划被搁置。

当美国国家航空航天局再次准备将目光投向小行星带之外的世界时，木卫二已不再是显而易见的目标。2005年，环绕土星系统的卡西尼号探测器发现，小卫星土卫二南极喷射出水蒸气和冰粒。同年，一个随卡西尼号飞行的欧洲探测器坠入土卫六厚厚的雾状大气层，并——结合母船从上方进行的测量——发现了沙丘、山脉和河流的惊人景观下隐藏着氨水和水组成的海洋的证据。富含有机物的环境，加上液态甲烷雨，令天体生物学家惊叹不已，而奇异的表面则吸引了地质学家。此外，土卫六奇特的类地球性质对急于选择一个能吸引公众想象力的目标的美国国家航空航天局官员施加了魔力。

鉴于如此多的机会，美国国家航空航天局于2007年决定在木卫二、土卫二、土卫六和整个木星系统之间进行四方竞争。木卫二和土卫六赢得了最初的对决，这两颗卫星去年展开了激烈的角逐。竞争十分激烈。土卫六计划是一部儒勒·凡尔纳式的浪漫作品，一个名为“蒙哥菲尔”（以设计第一个热气球的法国兄弟命名）的热气球在土卫六厚重、烟雾弥漫的大气层中翱翔。相比之下，访问木卫二的计划则要求使用标准型太空探测器。由于成本和技术不确定性，将着陆器放在木卫二表面钻穿冰层以期到达海洋的计划不得不放弃，只剩下一个轨道飞行器。

这一次，帕帕拉尔多和他的同事们多年的规划和说服得到了回报。美国国家航空航天局的评委们得出结论，两项提案的科学回报价值相当。但就任务执行而言，土卫六方案被认为风险更高。

“木卫二任务已投入了十年，”美国宇航局经理柯特·尼布尔在宣布消息后不久，于去年三月在马里兰州贝塞斯达一个座无虚席的酒店舞厅里告诉行星科学家们。“而且团队有一个相对成熟的设计。”

帕帕拉尔多在华盛顿特区主持NASA生命起源和演化咨询小组会议时收到了木卫二任务的决定。“我感到如释重负、高兴和疲惫，”他说，“这是我等了近十年的消息。”

自那时以来，几乎没有时间庆祝，因为欧空局的批准和美国宇航局的资金尚未确定。“这项任务甚至还没离开华盛顿特区，更别说地球了，”圣路易斯华盛顿大学的威廉·麦金农在贝塞斯达会议上警告他的同事。“我们需要一个统一的社区花几年时间才能启动这项任务，如果我们能把事情安排妥当，我们就会被听到。”一些土卫六的支持者对木卫二的热情不高，而那些仍然致力于在火星上寻找生命的科学家们可以理解地担心，木卫二探测器会从他们的任务中挪用资金。美国宇航局的经理们承诺，土卫六仍然是外太阳系的下一个优先事项，并承诺为该任务的详细设计进一步投入少量资金，尽管在慢节奏的行星探索世界中，如此重大的延误所带来的痛苦难以掩饰。美国宇航局还坚持认为，它可以在不损害其火星计划的情况下推进木卫二任务。

然而，帕帕拉尔多的挑战远未结束。现在，他和他的木卫二支持者们必须努力保住他们在预算中的位置。航天飞机计划于明年退役，替代发射器阿瑞斯号的建造时间比预期更长，成本也更高。与此同时，奥巴马政府希望NASA将更多资金用于地球观测，以提供全球气候变化的数据。而NASA一些更紧迫的机器人探测器，如正在建造的火星科学实验室，成本正在飙升。所有这些都给NASA有限的科学预算带来了压力。木卫三任务也不是一个确定的选择。未来两年，欧空局将让木卫三与另外两个拟议的天体物理天文台展开竞争。

科学竞争和争夺政治支持在天文学中并非新鲜事；即使在研究木星及其卫星方面，它们也并非新鲜事。四百年前，伽利略·伽利雷和德国天文学家西蒙·马里乌斯都声称自己是第一个发现木星四颗大卫星（木卫二、木卫三、木卫四和木卫一）的人。伽利略提议以他的强大资助人美第奇家族的名字命名这些卫星，以争取他们的支持和资助。为了不甘示弱，马里乌斯建议将它们命名为勃兰登堡星，以纪念他的资助人。这两种命名都没有流行起来。

多年以后，在德国雷根斯堡的一次集市上，马吕斯遇到了著名的天文学家约翰内斯·开普勒，开普勒开玩笑地建议，这些卫星不如以木星神话中的“不轨之恋”来命名——三位被众神之王诱惑的少女和一位少年。最终这些名字沿用了下来（尽管今天的教科书中，伽利略而非马吕斯被认为是发现者，因为他首先发表了成果）。

近四个世纪以来，天文学家对“伽利略卫星”知之甚少。即使通过最强大的望远镜，木卫二也从未靠近地球3.5亿英里以内，看起来不过是一个模糊的斑点。1979年旅行者2号飞船的到来改变了这一切。旅行者号传回的图片展示了一个奇特而充满活力的世界。木卫二光滑如台球般的表面布满裂缝，其景观诡异地 resembled 地球冬季的北极冰层。这些图像首次为当时纯属理论的一个引人入胜的观点提供了观测支持：木星卫星内部可能存在海洋。

就在旅行者号抵达前一个月，一个研究团队发表了第一个严肃的模型，阐述了在太阳系寒冷外围的行星体内液态海洋如何存在。这种温暖的秘密在于木星和它的四位情人之间庄严的舞蹈——木卫一离这颗巨大的行星最近，其次是木卫二，然后是木卫三，最后是木卫四。在数十亿年的时间里，其中三颗卫星已经形成了一种优雅的宇宙节奏。木卫一绕木星一周所需的时间是木卫二的一半，而木卫二绕轨道运行所需的时间又是木卫三的一半。

然而，这种舞蹈并不完美。木星的引力在卫星绕行时对它们产生潮汐——周期性的拉伸。潮汐反过来又产生摩擦，从而产生热量。毫无疑问，谁是这场舞蹈的主导者：相对较小的卫星根本无法与木星巨大的体积相抗衡。在木卫一上，它与行星的距离大约与地球与月球的距离相同，热量如此强烈，以至于它会从巨大的火山喷口喷出硫磺羽流，喷入太空。在更远的木卫三和木卫四上，木星的影响就不那么剧烈了。地核和地壳之间可能存在足够的晃动，足以防止这些卫星内部完全冻结，但不足以融化地表一百英里以内的水。

如此厚的冰层有效地将地表——及其潜在的生命化学物质——与下面的水隔绝开来。然而，木卫二位于行星科学家、亚利桑那大学图森分校的理查德·格林伯格所称的“最佳位置”，在那里，木星的影响使得这颗卫星既不太热也不太冷。

1995年12月伽利略号抵达木星系统一年后，它飞掠木卫二430英里以内，传回的图像像一个浅蓝色的裂开的复活节彩蛋。其中最引人注目的照片是康纳马拉混沌区。看起来像冰筏的结构漂浮在重新冻结的基质中；那里显著的陨石坑缺失表明地质活跃的表面，并暗示最近过去液态水可能从下方涌出。这一发现引起了生物学家和行星科学家的关注。我们知道地球上的冰盖可以延伸到海洋以下半英里深，但其底部仍然维持着复杂的生态系统。而食硫细菌在海洋最黑暗的深处繁衍生息，作为食物链的基础，其异域程度几乎可以说是外星的。

格林伯格认为木卫二上可能也发生了类似的事情。他认为有令人信服的证据表明，木卫二巨大的潮汐使冰层开裂，允许液态水渗透上来。他声称，康纳马拉混沌区等区域提供了额外的证据，表明冰层最厚也只有五六英里。如此薄的冰层可以阻挡木星有害的辐射，但仍能让有机物质（主要来自彗星撞击）和一些阳光用于光合作用。生物体可能会在木卫二潮汐的规律涨落中，在其众多的地表裂缝中找到栖息地。而在下面，沿海海底可能存在的火山喷口附近，其他形式的生命可能在无阳光的深处繁衍。“据我们所知，木卫二上的条件和成分足以维持大量复杂的生命，”格林伯格说。

这是一个引人入胜的设想，呼应了阿瑟·C·克拉克在其小说《2010：奥德赛2》中对木卫二外星海洋生物在黑暗水域中浮沉的描述。但大多数行星研究人员对格林伯格的理论不以为然。他们坚持认为，像康纳马拉混沌区这样的动态特征即使在厚厚的冰壳中也能形成。这种关于冰壳厚度的技术讨论背后隐藏着一个如此深刻的问题——木卫二是生是死？——以至于它们已经演变成一场激烈的争论，有时甚至演变成人身攻击和愤怒的反驳。

争吵的焦点是格林伯格，他卷曲的头发、浓密的灰胡子和温和的举止，与科学界的“黑马”形象格格不入。他在麻省理工学院获得物理学学位，并于1972年获得行星科学博士学位。到20世纪70年代末，他赢得了伽利略成像团队中一个令人羡慕的席位，后来又获得了该领域罕见的终身职位。“他是老一辈中的最老一辈，”一位年轻同事说。

但在他最近的著作《揭露木卫二》中，格林伯格将自己描绘成一个不受尊重的局外人，并指责同事不诚实、窃取思想，并损害了他自己的声誉以及他研究生们的职业生涯。“那些不遵守（厚冰）主流观点的人被排斥，”格林伯格坚称。他指责厚冰支持者通过忽视和歪曲他的观点，阻止了薄冰理论的公正听证。

格林伯格的许多同事表示，他们对他在一个小型且高度协作的领域中如此个人化的攻击感到震惊。帕帕拉尔多驳斥格林伯格对他的指控“荒谬且不实”，并补充说，“这里发生的事情不仅仅是科学辩论。”帕帕拉尔多说，他非但没有试图让格林伯格沉默，反而尽其所能地与他的同事进行接触。

帕帕拉尔多邀请格林伯格为一本近期出版的关于木卫二的著作撰写一章，但格林伯格拒绝了。“他说他太忙了，”帕帕拉尔多回忆道。尽管对格林伯格的个人攻击感到恼火，但他坚持认为自己远非在冰层厚度问题上教条主义。“他的一些假设带来了巨大的挑战——推动系统总是一件好事。”

所有这些沮丧的关键根源在于缺乏关于木卫二的信息。详细的地图只覆盖了其表面十分之一多一点，提供了诱人但不完整的神秘卫星图像。这造成了一种科学上的幽闭恐惧症，因为研究人员重新分析图像，修补模型，并思考新的方法来解释这个目前完全无法触及的复杂世界。几位行星科学家表示，这也可能产生一种从众心理。“如果数据有限，你可能会形成一种主流观点，”曾在被推迟的土卫六任务中工作的亚利桑那大学行星科学家乔纳森·卢宁解释说。

亚利桑那州立大学的格里利倾向于厚冰观点，也是格林伯格愤怒的另一个目标。他承认“经常有一种从众心态”，这种心态源于漫长的等待。他深知这一点，因为他参与美国宇航局的月球和行星任务已有四十多年。“我们只剩下了一个水晶球，”喷气推进实验室的行星科学家凯文·汉德说，他是少数公开同情格林伯格观点的人之一。“人们将自己的科学假设投射到上面。”

残酷的真相是，即使新的木卫二任务到达目的地，在磁场的冲击下幸存下来，并成功传回新数据，也可能无法平息生命概率的问题。探测器的雷达能否深入冰层及更深处——这在很大程度上取决于冰和海洋的构成——仍有待观察。而且由于NASA已向土卫六团队承诺，他们是下一个外行星任务的优先对象，因此，能够探测木卫二深处并真正寻找外星生命的木卫二着陆器仍然停留在科幻小说的领域。HAL 9000计算机在克拉克的小说《2010》中告诉地球：“所有这些世界都是你的，除了木卫二。不要在那里尝试登陆。”

帕帕拉尔多说，这一代科学家的工作是努力工作，确保下一代能够收获成果。尽管当木卫二任务抵达时他可能像今天的格里利一样满头白发，但他打算努力争取确保后续会有着陆器，就像格里利那一代人为伽利略号任务而奋斗一样。对于格林伯格来说，他称木卫二为“一个奇妙而美好的地方”，他可以欣然同意这一点。“风险很高，情绪也很高涨，”卢宁补充道，尽管土卫六任务失败，但他仍然对它持乐观态度。“人们回家后都会梦想着这些事情。”

但在此次木卫二任务启程前往木星之前，几乎没有时间休息。

冰层之下

木卫二破碎、冰冻的表面（左图）之下隐藏着一个全球性海洋，大多数科学家现在都同意这一点。他们不知道的是冰层的厚度，这个因素强烈影响着这颗卫星上存在生命的可能性。艺术家的渲染图展示了两种可能性。在这两种情况下，木卫二绕木星运行的偏心轨道造成的潮汐都会在其冰壳底部产生内部热量，从而融化冰层。如果热量足够强烈（中图），它可能会使冰层几乎完全融化到地表；在这种情况下，来自上方的有机物和阳光可以到达海洋，为生物创造有利条件。如果热量较弱（右图），木卫二的海洋上方可能有一层厚厚的暖冰。这种暖冰可以缓慢上升和流动，很像地球上的冰川，但它将对生命构成巨大的障碍。