文|創(chuàng)瞰巴黎 Isabelle  Dumé

編輯|Meister Xia

導讀

歐空局成功將木星冰月探測器（Jupiter Icy Moons Explorer, JUICE）發(fā)射升空。像JUICE這樣大型的航空任務需要多個國家和組織協(xié)調合作才能完成。各個國家的航天機構和科學家如何溝通協(xié)作？如何推動航空任務的進程？法國國家空間研究中心在其中擔任了何種角色？JUICE將會帶來哪些精彩的發(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任務由多國航天機構共同努力完成，各國分別負責研制一部分搭載儀器。
• 法國負責自主研發(fā)JUICE的紅外光譜儀，還參與了另外六臺儀器的研發(fā)。
• 法國國家空間研究中心（CNES）的研究重點之一是儀器的小型化，因為飛行器有效載荷的限制是所有太空項目的一大挑戰(zhàn)。
• JUICE任務還將研究木星及其衛(wèi)星冰殼的地震活動。

4月14日，阿麗亞娜5號火箭搭載著歐洲航天局的木星冰衛(wèi)星探測器JUICE，從法屬圭亞那的庫魯航天發(fā)射中心發(fā)射。此次任務的目的是對木星的四顆冰衛(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）進行勘探，確認是否有生命存在。JUICE預計于2031年7月到達氣態(tài)巨星木星，2034年12月抵達木衛(wèi)三軌道，將成為第一艘在外太陽系繞月運行的航天器。木衛(wèi)三是太陽系中唯一有磁場的月球。法國國家空間研究中心（CNES）宇宙科學項目負責人Olivier La Marle在本文中介紹了JUICE任務的發(fā)展歷程以及CNES在項目中發(fā)揮的作用。

Olivier La Marle，法國國家空間研究中心（CNES）宇宙科學項目負責人

法國國家空間研究中心（CNES）并不直接參與科學研究。我們的職責是在法國的相關機構加入國際空間開發(fā)合作項目時，與各方進行協(xié)調磋商。法國科學家參與了項目，就能使用項目獲取的太空數(shù)據(jù)，在科學期刊上發(fā)表文章。這些科學家不屬于CNES，而是來自法國國家科學研究中心（CNRS）、法國原子能委員會（CEA）或高校實驗室，各自有各自的研究課題。不過，CNES會與科學家們所屬的機構共同開展“選題演練”，篩選出最有希望申請上科研資金的項目，并協(xié)助科學家向各大航天機構提交申請。

科學是無國界的。法國國家空間研究中心與世界上其他主要航天機構合作，如歐空局、美國國家航空航天局、中國航天局、日本宇宙航空研究開發(fā)機構，當然還有其他歐洲國家的相關機構。各個機構通過協(xié)商，確定每個國家的分工。在航天領域，國際合作是必要的。像JUICE這樣的大型任務不可能由CNES預算全額資助，即使整個法國航天業(yè)也不可能憑一己之力資助。協(xié)調此類任務的最傳統(tǒng)方式，是將飛行器搭載的科學儀器開發(fā)任務分配到各個國家。CNES在這一階段的作用，就是提出符合法國研究特長的分工方案。

01、探索太空的挑戰(zhàn)：任務的極高復雜性

重大太空科考飛行器在發(fā)射前，必須完成一系列的測試、建模和模擬，才能制定出可行的方案?？茖W家在其中發(fā)揮著至關重要的作用，因為只有科學家能向各大航天機構及其企業(yè)伙伴提出有效建議，告知哪些任務既有可操作性又有研究意義。執(zhí)著于無法實現(xiàn)的目標只會讓項目走進死胡同，最終失敗。

CNES的作用包括為法國的國家級實驗室提供財政和技術支持，與別國航天機構協(xié)調伙伴關系，并做出充足準備處理航天項目未來即將回傳的大量數(shù)據(jù)。這意味著要開發(fā)出可靠的模型、模擬工具和軟件，用來解讀大量圖像和光譜。例如，歐空局計劃發(fā)射的暗物質和暗能量探測項目歐幾里得空間望遠鏡[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)有望遠鏡（如詹姆斯·韋伯望遠鏡）的數(shù)據(jù)配合使用。

圖片來源：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

每項太空任務的前期都有大量準備工作需要完成，科學家之間既有合作，也有競爭：首先公布研究成果的學者肯定會得到最多的關注。如果某個機構提出的任務不是法國科學家的關注重點，那我們將會參與部分設備開發(fā)工作。不過，對于JUICE這樣的太空任務，法國的參與度較高。飛行器上將搭載十個關鍵儀器，法國協(xié)同參與了六個的開發(fā)，另外還負責自主研發(fā)其中的紅外光譜儀。該儀器結構復雜、體積大且成本高昂。法國在該項目中是迄今為止歐洲國家中貢獻最大的一方。其他配套設備由美國國家航空航天局、日本宇宙航空以及歐洲別國相關機構提供，包括一臺光學相機、各種光譜儀、高度計、雷達、粒子探測器和磁力計。

作為當時CNES天體物理學課題的負責人，我的職責包括確定和協(xié)調法國參與歐幾里得和SVOM兩個項目的工作量。歐幾里得項目涉及與CNRS、CEA和歐洲各大航空機構（特別是歐空局、意大利航天局和英國航天局）舉辦多次協(xié)調會議。SVOM全稱為“多波段天文變量物體監(jiān)測衛(wèi)星”，是一個中法聯(lián)合太空任務，由CNES與中國航天局合作開展，旨在探測和詳細研究太空伽馬射線暴現(xiàn)象，航天器將于2024年發(fā)射。CNES的負責人多次前往上海和北京，終于就雙方的分工協(xié)議達成一致。商討的內(nèi)容包括確認最終論文的署名權：應該將多少名法國和中國學者列為作者？預算問題當然也是至關重要的：法國方面將花費多少錢？我們是否有必要的資源？這些也是磋商的內(nèi)容。

02、法國國家空間研究中心下屬技術中心

CNES的獨特之處在于有一所下屬技術中心。中心的工程師們擁有成功執(zhí)行太空任務的豐富經(jīng)驗，了解衛(wèi)星制造與發(fā)射的全過程。一旦CNES決定參與某項任務，既可以由內(nèi)部的工程師負責技術開發(fā)，也可以委托感興趣的CNRS或CEA實驗室，并為他們提供資金和技術支持。法國與其他歐洲國家不同，不一定需要與產(chǎn)業(yè)界簽訂合同進行初步研究。

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

CNES在制定戰(zhàn)略時，眼光放得相當長：目前正在規(guī)劃和參與的任務的啟動時間都在2030年。當前的研究的重點之一是設備小型化。探測器送入太空時，有效載荷的質量是一個大問題。例如對于JUICE探測器，其90%的質量是飛行器自身和燃料的質量，導致搭載儀器不得超過幾十公斤，而同類的標準實驗室設備要重得多。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開發(fā)的紅外光譜儀重約40公斤，是我們與法國空間天體物理研究所的專家們15年辛勤合作的結晶。

03、JUICE：肩負重要使命

法國政府和學界高度重視JUICE任務。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。盡管冰下的情況無法觀測，但JUICE搭載的儀器可進行間接環(huán)境探測和成分分析。科學界對這一項目抱有極大的期望，很早就將JUICE確定為首要任務。事實上，JUICE 早在2012年就被歐空局選中進行重點開發(fā)，當時另外兩個候選項目分別是高能天體物理高級望遠鏡（ATHENA）和新引力波天文臺（非政府組織，后來更名為LISA），后來也陸續(xù)被選中。JUICE也是歐空局2015-2025年宇宙愿景計劃中的第一個L級探測器。

JUICE項目實施后，我們將了解木星衛(wèi)星上的條件是否能孕育生命。飛行器將探測木衛(wèi)本身及其大氣層、內(nèi)部結構、磁性、礦物鹽成分、冰殼厚度和地形地貌。項目還將研究衛(wèi)星巨大質量造成的地震效應，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，而我們太陽系中其他行星的衛(wèi)星沒有？為什么有些衛(wèi)星有二氧化碳大氣層，而另一些有氮氣或甲烷大氣層，盡管它們形成的初始環(huán)境是相同的？為什么各個衛(wèi)星的演化路徑完全不同，是什么力量推動了它們的演化？是磁場的作用還是木星的潮汐效應？JUICE將為科學家們帶來等待已久的答案。

在太空中尋找生命，也是項目的一大亮點。每當人類發(fā)射探測器前往太陽系的星體時，總會發(fā)現(xiàn)其與眾不同之處。我們相信JUICE定能帶來意想不到的新發(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.