解读木卫之谜，寻找生命痕迹
Olivier La Marle
法国国家空间研究中心（CNES）宇宙科学项目负责人
欧空局成功将木星冰月探测器（Jupiter Icy Moons Explorer, JUICE）发射升空。像JUICE这样大型的航空任务需要多个国家和组织协调合作才能完成。各个国家的航天机构和科学家如何沟通协作？如何推动航空任务的进程？法国国家空间研究中心在其中担任了何种角色？JUICE将会带来哪些精彩的发现？
欧洲航天局的木星冰卫星探测器JUICE旨在勘探木星四颗冰卫星中的三颗，判断其环境是否能孕育生命。
JUICE任务由多国航天机构共同努力完成，各国分别负责研制一部分搭载仪器。
法国负责自主研发JUICE的红外光谱仪，还参与了另外六台仪器的研发。
法国国家空间研究中心（CNES）的研究重点之一是仪器的小型化，因为飞行器有效载荷的限制是所有太空项目的一大挑战。
JUICE任务还将研究木星及其卫星冰壳的地震活动。
4月14日，阿丽亚娜5号火箭搭载着欧洲航天局的木星冰卫星探测器JUICE，从法属圭亚那的库鲁航天发射中心发射。此次任务的目的是对木星的四颗冰卫星中的三颗（木卫二、木卫三和木卫四，三者皆有海洋）进行勘探，确认是否有生命存在。JUICE预计于2031年7月到达气态巨星木星，2034年12月抵达木卫三轨道，将成为第一艘在外太阳系绕月运行的航天器。木卫三是太阳系中唯一有磁场的月球。法国国家空间研究中心（CNES）宇宙科学项目负责人Olivier La Marle在本文中介绍了JUICE任务的发展历程以及CNES在项目中发挥的作用。
法国国家空间研究中心（CNES）并不直接参与科学研究。我们的职责是在法国的相关机构加入国际空间开发合作项目时，与各方进行协调磋商。法国科学家参与了项目，就能使用项目获取的太空数据，在科学期刊上发表文章。这些科学家不属于CNES，而是来自法国国家科学研究中心（CNRS）、法国原子能委员会（CEA）或高校实验室，各自有各自的研究课题。不过，CNES会与科学家们所属的机构共同开展“选题演练”，筛选出最有希望申请上科研资金的项目，并协助科学家向各大航天机构提交申请。
科学是无国界的。法国国家空间研究中心与世界上其他主要航天机构合作，如欧空局、美国国家航空航天局、中国航天局、日本宇宙航空研究开发机构，当然还有其他欧洲国家的相关机构。各个机构通过协商，确定每个国家的分工。在航天领域，国际合作是必要的。像JUICE这样的大型任务不可能由CNES预算全额资助，即使整个法国航天业也不可能凭一己之力资助。协调此类任务的最传统方式，是将飞行器搭载的科学仪器开发任务分配到各个国家。CNES在这一阶段的作用，就是提出符合法国研究特长的分工方案。
01
探索太空的挑战：任务的极高复杂性
重大太空科考飞行器在发射前，必须完成一系列的测试、建模和模拟，才能制定出可行的方案。科学家在其中发挥着至关重要的作用，因为只有科学家能向各大航天机构及其企业伙伴提出有效建议，告知哪些任务既有可操作性又有研究意义。执着于无法实现的目标只会让项目走进死胡同，最终失败。
CNES的作用包括为法国的国家级实验室提供财政和技术支持，与别国航天机构协调伙伴关系，并做出充足准备处理航天项目未来即将回传的大量数据。这意味着要开发出可靠的模型、模拟工具和软件，用来解读大量图像和光谱。例如，欧空局计划发射的暗物质和暗能量探测项目欧几里得空间望远镜[1]每十分钟将获得10亿像素的图像。这些数据还必须能与现有望远镜（如詹姆斯·韦伯望远镜）的数据配合使用。
图片来源：欧空局S. Corvaja - 搭载着JUICE的飞行器于2023年4月14日在法属圭亚那发射
每项太空任务的前期都有大量准备工作需要完成，科学家之间既有合作，也有竞争：首先公布研究成果的学者肯定会得到最多的关注。如果某个机构提出的任务不是法国科学家的关注重点，那我们将会参与部分设备开发工作。不过，对于JUICE这样的太空任务，法国的参与度较高。飞行器上将搭载十个关键仪器，法国协同参与了六个的开发，另外还负责自主研发其中的红外光谱仪。该仪器结构复杂、体积大且成本高昂。法国在该项目中是迄今为止欧洲国家中贡献最大的一方。其他配套设备由美国国家航空航天局、日本宇宙航空以及欧洲别国相关机构提供，包括一台光学相机、各种光谱仪、高度计、雷达、粒子探测器和磁力计。
作为当时CNES天体物理学课题的负责人，我的职责包括确定和协调法国参与欧几里得和SVOM两个项目的工作量。欧几里得项目涉及与CNRS、CEA和欧洲各大航空机构（特别是欧空局、意大利航天局和英国航天局）举办多次协调会议。SVOM全称为“多波段天文变量物体监测卫星”，是一个中法联合太空任务，由CNES与中国航天局合作开展，旨在探测和详细研究太空伽马射线暴现象，航天器将于2024年发射。CNES的负责人多次前往上海和北京，终于就双方的分工协议达成一致。商讨的内容包括确认最终论文的署名权：应该将多少名法国和中国学者列为作者？预算问题当然也是至关重要的：法国方面将花费多少钱？我们是否有必要的资源？这些也是磋商的内容。
02
法国国家空间研究中心下属技术中心
CNES的独特之处在于有一所下属技术中心。中心的工程师们拥有成功执行太空任务的丰富经验，了解卫星制造与发射的全过程。一旦CNES决定参与某项任务，既可以由内部的工程师负责技术开发，也可以委托感兴趣的CNRS或CEA实验室，并为他们提供资金和技术支持。法国与其他欧洲国家不同，不一定需要与产业界签订合同进行初步研究。
“CNES最终为JUICE开发的红外光谱仪，是我们与法国空间天体物理研究所的专家们15年辛勤合作的结晶。”
CNES在制定战略时，眼光放得相当长：目前正在规划和参与的任务的启动时间都在2030年。当前的研究的重点之一是设备小型化。探测器送入太空时，有效载荷的质量是一个大问题。例如对于JUICE探测器，其90%的质量是飞行器自身和燃料的质量，导致搭载仪器不得超过几十公斤，而同类的标准实验室设备要重得多。想要制造出能够承受空间极端条件、适合小空间且质量有限的光谱分析仪或红外光谱仪，存在很大的挑战。
CNES最终为JUICE开发的红外光谱仪重约40公斤，是我们与法国空间天体物理研究所的专家们15年辛勤合作的结晶。
03
JUICE：肩负重要使命
法国政府和学界高度重视JUICE任务。木星的一些卫星上有冰壳覆盖，在冰壳下可能有温暖、适宜生命繁殖的液态海洋。尽管冰下的情况无法观测，但JUICE搭载的仪器可进行间接环境探测和成分分析。科学界对这一项目抱有极大的期望，很早就将JUICE确定为首要任务。事实上，JUICE 早在2012年就被欧空局选中进行重点开发，当时另外两个候选项目分别是高能天体物理高级望远镜（ATHENA）和新引力波天文台（非政府组织，后来更名为LISA），后来也陆续被选中。JUICE也是欧空局2015-2025年宇宙愿景计划中的第一个L级探测器。
JUICE项目实施后，我们将了解木星卫星上的条件是否能孕育生命。飞行器将探测木卫本身及其大气层、内部结构、磁性、矿物盐成分、冰壳厚度和地形地貌。项目还将研究卫星巨大质量造成的地震效应，并寻找卫星上是否有水囊、液态海洋底部是否存在岩石土壤等。
为什么木星的卫星有冰壳，而我们太阳系中其他行星的卫星没有？为什么有些卫星有二氧化碳大气层，而另一些有氮气或甲烷大气层，尽管它们形成的初始环境是相同的？为什么各个卫星的演化路径完全不同，是什么力量推动了它们的演化？是磁场的作用还是木星的潮汐效应？JUICE将为科学家们带来等待已久的答案。
在太空中寻找生命，也是项目的一大亮点。每当人类发射探测器前往太阳系的星体时，总会发现其与众不同之处。我们相信JUICE定能带来意想不到的新发现。
作者
Isabelle Dumé
编辑
Meister Xia
https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Juice
https://www.esa.int/Space_in_Member_States/France/Euclid_une_mission_destinee_a_percer_les_mysteres_de_l_energie_noire_et_de_la_matiere_noire
1. Euclid, which will be launched in June of this year, aims to find out more about dark energy, the mysterious component responsible for the unexplained acceleration of the expansion of the universe.
