文|創(chuàng)瞰巴黎 Isabelle  Dumé

編輯|Meister Xia

導(dǎo)讀

歐空局成功將木星冰月探測(cè)器（Jupiter Icy Moons Explorer, JUICE）發(fā)射升空。像JUICE這樣大型的航空任務(wù)需要多個(gè)國(guó)家和組織協(xié)調(diào)合作才能完成。各個(gè)國(guó)家的航天機(jī)構(gòu)和科學(xué)家如何溝通協(xié)作？如何推動(dòng)航空任務(wù)的進(jìn)程？法國(guó)國(guó)家空間研究中心在其中擔(dān)任了何種角色？JUICE將會(huì)帶來(lái)哪些精彩的發(fā)現(xiàn)？

一覽：

• 歐洲航天局的木星冰衛(wèi)星探測(cè)器JUICE旨在勘探木星四顆冰衛(wèi)星中的三顆，判斷其環(huán)境是否能孕育生命。
• JUICE任務(wù)由多國(guó)航天機(jī)構(gòu)共同努力完成，各國(guó)分別負(fù)責(zé)研制一部分搭載儀器。
• 法國(guó)負(fù)責(zé)自主研發(fā)JUICE的紅外光譜儀，還參與了另外六臺(tái)儀器的研發(fā)。
• 法國(guó)國(guó)家空間研究中心（CNES）的研究重點(diǎn)之一是儀器的小型化，因?yàn)轱w行器有效載荷的限制是所有太空項(xiàng)目的一大挑戰(zhàn)。
• JUICE任務(wù)還將研究木星及其衛(wèi)星冰殼的地震活動(dòng)。

4月14日，阿麗亞娜5號(hào)火箭搭載著歐洲航天局的木星冰衛(wèi)星探測(cè)器JUICE，從法屬圭亞那的庫(kù)魯航天發(fā)射中心發(fā)射。此次任務(wù)的目的是對(duì)木星的四顆冰衛(wèi)星中的三顆（木衛(wèi)二、木衛(wèi)三和木衛(wèi)四，三者皆有海洋）進(jìn)行勘探，確認(rèn)是否有生命存在。JUICE預(yù)計(jì)于2031年7月到達(dá)氣態(tài)巨星木星，2034年12月抵達(dá)木衛(wèi)三軌道，將成為第一艘在外太陽(yáng)系繞月運(yùn)行的航天器。木衛(wèi)三是太陽(yáng)系中唯一有磁場(chǎng)的月球。法國(guó)國(guó)家空間研究中心（CNES）宇宙科學(xué)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Olivier La Marle在本文中介紹了JUICE任務(wù)的發(fā)展歷程以及CNES在項(xiàng)目中發(fā)揮的作用。

Olivier La Marle，法國(guó)國(guó)家空間研究中心（CNES）宇宙科學(xué)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人

法國(guó)國(guó)家空間研究中心（CNES）并不直接參與科學(xué)研究。我們的職責(zé)是在法國(guó)的相關(guān)機(jī)構(gòu)加入國(guó)際空間開(kāi)發(fā)合作項(xiàng)目時(shí)，與各方進(jìn)行協(xié)調(diào)磋商。法國(guó)科學(xué)家參與了項(xiàng)目，就能使用項(xiàng)目獲取的太空數(shù)據(jù)，在科學(xué)期刊上發(fā)表文章。這些科學(xué)家不屬于CNES，而是來(lái)自法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心（CNRS）、法國(guó)原子能委員會(huì)（CEA）或高校實(shí)驗(yàn)室，各自有各自的研究課題。不過(guò)，CNES會(huì)與科學(xué)家們所屬的機(jī)構(gòu)共同開(kāi)展“選題演練”，篩選出最有希望申請(qǐng)上科研資金的項(xiàng)目，并協(xié)助科學(xué)家向各大航天機(jī)構(gòu)提交申請(qǐng)。

科學(xué)是無(wú)國(guó)界的。法國(guó)國(guó)家空間研究中心與世界上其他主要航天機(jī)構(gòu)合作，如歐空局、美國(guó)國(guó)家航空航天局、中國(guó)航天局、日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)，當(dāng)然還有其他歐洲國(guó)家的相關(guān)機(jī)構(gòu)。各個(gè)機(jī)構(gòu)通過(guò)協(xié)商，確定每個(gè)國(guó)家的分工。在航天領(lǐng)域，國(guó)際合作是必要的。像JUICE這樣的大型任務(wù)不可能由CNES預(yù)算全額資助，即使整個(gè)法國(guó)航天業(yè)也不可能憑一己之力資助。協(xié)調(diào)此類任務(wù)的最傳統(tǒng)方式，是將飛行器搭載的科學(xué)儀器開(kāi)發(fā)任務(wù)分配到各個(gè)國(guó)家。CNES在這一階段的作用，就是提出符合法國(guó)研究特長(zhǎng)的分工方案。

01、探索太空的挑戰(zhàn)：任務(wù)的極高復(fù)雜性

重大太空科考飛行器在發(fā)射前，必須完成一系列的測(cè)試、建模和模擬，才能制定出可行的方案。科學(xué)家在其中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，因?yàn)橹挥锌茖W(xué)家能向各大航天機(jī)構(gòu)及其企業(yè)伙伴提出有效建議，告知哪些任務(wù)既有可操作性又有研究意義。執(zhí)著于無(wú)法實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)只會(huì)讓項(xiàng)目走進(jìn)死胡同，最終失敗。

CNES的作用包括為法國(guó)的國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)室提供財(cái)政和技術(shù)支持，與別國(guó)航天機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)伙伴關(guān)系，并做出充足準(zhǔn)備處理航天項(xiàng)目未來(lái)即將回傳的大量數(shù)據(jù)。這意味著要開(kāi)發(fā)出可靠的模型、模擬工具和軟件，用來(lái)解讀大量圖像和光譜。例如，歐空局計(jì)劃發(fā)射的暗物質(zhì)和暗能量探測(cè)項(xiàng)目歐幾里得空間望遠(yuǎn)鏡[1]每十分鐘將獲得10億像素的圖像。這些數(shù)據(jù)還必須能與現(xiàn)有望遠(yuǎn)鏡（如詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡）的數(shù)據(jù)配合使用。

圖片來(lái)源：歐空局S. Corvaja - 搭載著JUICE的飛行器于2023年4月14日在法屬圭亞那發(fā)射

每項(xiàng)太空任務(wù)的前期都有大量準(zhǔn)備工作需要完成，科學(xué)家之間既有合作，也有競(jìng)爭(zhēng)：首先公布研究成果的學(xué)者肯定會(huì)得到最多的關(guān)注。如果某個(gè)機(jī)構(gòu)提出的任務(wù)不是法國(guó)科學(xué)家的關(guān)注重點(diǎn)，那我們將會(huì)參與部分設(shè)備開(kāi)發(fā)工作。不過(guò)，對(duì)于JUICE這樣的太空任務(wù)，法國(guó)的參與度較高。飛行器上將搭載十個(gè)關(guān)鍵儀器，法國(guó)協(xié)同參與了六個(gè)的開(kāi)發(fā)，另外還負(fù)責(zé)自主研發(fā)其中的紅外光譜儀。該儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大且成本高昂。法國(guó)在該項(xiàng)目中是迄今為止歐洲國(guó)家中貢獻(xiàn)最大的一方。其他配套設(shè)備由美國(guó)國(guó)家航空航天局、日本宇宙航空以及歐洲別國(guó)相關(guān)機(jī)構(gòu)提供，包括一臺(tái)光學(xué)相機(jī)、各種光譜儀、高度計(jì)、雷達(dá)、粒子探測(cè)器和磁力計(jì)。

作為當(dāng)時(shí)CNES天體物理學(xué)課題的負(fù)責(zé)人，我的職責(zé)包括確定和協(xié)調(diào)法國(guó)參與歐幾里得和SVOM兩個(gè)項(xiàng)目的工作量。歐幾里得項(xiàng)目涉及與CNRS、CEA和歐洲各大航空機(jī)構(gòu)（特別是歐空局、意大利航天局和英國(guó)航天局）舉辦多次協(xié)調(diào)會(huì)議。SVOM全稱為“多波段天文變量物體監(jiān)測(cè)衛(wèi)星”，是一個(gè)中法聯(lián)合太空任務(wù)，由CNES與中國(guó)航天局合作開(kāi)展，旨在探測(cè)和詳細(xì)研究太空伽馬射線暴現(xiàn)象，航天器將于2024年發(fā)射。CNES的負(fù)責(zé)人多次前往上海和北京，終于就雙方的分工協(xié)議達(dá)成一致。商討的內(nèi)容包括確認(rèn)最終論文的署名權(quán)：應(yīng)該將多少名法國(guó)和中國(guó)學(xué)者列為作者？預(yù)算問(wèn)題當(dāng)然也是至關(guān)重要的：法國(guó)方面將花費(fèi)多少錢(qián)？我們是否有必要的資源？這些也是磋商的內(nèi)容。

02、法國(guó)國(guó)家空間研究中心下屬技術(shù)中心

CNES的獨(dú)特之處在于有一所下屬技術(shù)中心。中心的工程師們擁有成功執(zhí)行太空任務(wù)的豐富經(jīng)驗(yàn)，了解衛(wèi)星制造與發(fā)射的全過(guò)程。一旦CNES決定參與某項(xiàng)任務(wù)，既可以由內(nèi)部的工程師負(fù)責(zé)技術(shù)開(kāi)發(fā)，也可以委托感興趣的CNRS或CEA實(shí)驗(yàn)室，并為他們提供資金和技術(shù)支持。法國(guó)與其他歐洲國(guó)家不同，不一定需要與產(chǎn)業(yè)界簽訂合同進(jìn)行初步研究。

“CNES最終為JUICE開(kāi)發(fā)的紅外光譜儀，是我們與法國(guó)空間天體物理研究所的專家們15年辛勤合作的結(jié)晶?！?/p>

CNES在制定戰(zhàn)略時(shí)，眼光放得相當(dāng)長(zhǎng)：目前正在規(guī)劃和參與的任務(wù)的啟動(dòng)時(shí)間都在2030年。當(dāng)前的研究的重點(diǎn)之一是設(shè)備小型化。探測(cè)器送入太空時(shí)，有效載荷的質(zhì)量是一個(gè)大問(wèn)題。例如對(duì)于JUICE探測(cè)器，其90%的質(zhì)量是飛行器自身和燃料的質(zhì)量，導(dǎo)致搭載儀器不得超過(guò)幾十公斤，而同類的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備要重得多。想要制造出能夠承受空間極端條件、適合小空間且質(zhì)量有限的光譜分析儀或紅外光譜儀，存在很大的挑戰(zhàn)。

CNES最終為JUICE開(kāi)發(fā)的紅外光譜儀重約40公斤，是我們與法國(guó)空間天體物理研究所的專家們15年辛勤合作的結(jié)晶。

03、JUICE：肩負(fù)重要使命

法國(guó)政府和學(xué)界高度重視JUICE任務(wù)。木星的一些衛(wèi)星上有冰殼覆蓋，在冰殼下可能有溫暖、適宜生命繁殖的液態(tài)海洋。盡管冰下的情況無(wú)法觀測(cè)，但JUICE搭載的儀器可進(jìn)行間接環(huán)境探測(cè)和成分分析?？茖W(xué)界對(duì)這一項(xiàng)目抱有極大的期望，很早就將JUICE確定為首要任務(wù)。事實(shí)上，JUICE 早在2012年就被歐空局選中進(jìn)行重點(diǎn)開(kāi)發(fā)，當(dāng)時(shí)另外兩個(gè)候選項(xiàng)目分別是高能天體物理高級(jí)望遠(yuǎn)鏡（ATHENA）和新引力波天文臺(tái)（非政府組織，后來(lái)更名為L(zhǎng)ISA），后來(lái)也陸續(xù)被選中。JUICE也是歐空局2015-2025年宇宙愿景計(jì)劃中的第一個(gè)L級(jí)探測(cè)器。

JUICE項(xiàng)目實(shí)施后，我們將了解木星衛(wèi)星上的條件是否能孕育生命。飛行器將探測(cè)木衛(wèi)本身及其大氣層、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、磁性、礦物鹽成分、冰殼厚度和地形地貌。項(xiàng)目還將研究衛(wèi)星巨大質(zhì)量造成的地震效應(yīng)，并尋找衛(wèi)星上是否有水囊、液態(tài)海洋底部是否存在巖石土壤等。

為什么木星的衛(wèi)星有冰殼，而我們太陽(yáng)系中其他行星的衛(wèi)星沒(méi)有？為什么有些衛(wèi)星有二氧化碳大氣層，而另一些有氮?dú)饣蚣淄榇髿鈱?，盡管它們形成的初始環(huán)境是相同的？為什么各個(gè)衛(wèi)星的演化路徑完全不同，是什么力量推動(dòng)了它們的演化？是磁場(chǎng)的作用還是木星的潮汐效應(yīng)？JUICE將為科學(xué)家們帶來(lái)等待已久的答案。

在太空中尋找生命，也是項(xiàng)目的一大亮點(diǎn)。每當(dāng)人類發(fā)射探測(cè)器前往太陽(yáng)系的星體時(shí)，總會(huì)發(fā)現(xiàn)其與眾不同之處。我們相信JUICE定能帶來(lái)意想不到的新發(fā)現(xiàn)。

參考資料

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.