导读 得益于NASA的朱诺号木星系统任务，我们得以有史以来最清楚地观察这颗气态巨行星的火山卫星木卫一。朱诺号不仅为我们提供了最美的月球景观，...

得益于NASA的朱诺号木星系统任务，我们得以有史以来最清楚地观察这颗气态巨行星的火山卫星木卫一。朱诺号不仅为我们提供了最美的月球景观，也加深了我们现有的疑问。只有专门的木卫一任务才能解答这些问题，目前已有两个计划中的任务。

众所周知，木卫一是太阳系中地质活动最活跃的星球，而且无人能及。它拥有400多座活火山。木卫一是距离木星最近的卫星，其强大的引力是木卫一火山活动的主要原因。

当行星拉动木卫一时，摩擦力在卫星内部产生潮汐加热。这会产生岩浆并引发火山喷发。喷发中的硫化合物将卫星表面染成红色、黄色、白色、黑色和绿色。

从来没有专门针对木卫一的探测任务，只有一些任务在经过时拍摄图像，包括伽利略号、航海者1号、卡西尼号、新视野号和美国宇航局目前对木星的探测任务朱诺号。但木卫一既有趣又独特，它可以教给我们很多东西。

行星科学家希望更多地了解月球的地质过程。木卫一被认为是一个高热通量世界，科学家希望更多地了解它的潮汐消散。研究木卫一还可以让我们更多地了解曾经是火山的原始行星体，地球在其早期历史中可能也是火山。

木卫一还可以告诉我们更多关于火山大气的信息，这对塑造行星的环境起着至关重要的作用。这篇2020年的论文将地球的火山活动与大氧化事件联系起来，大氧化事件是氧气在地球大气中积累的关键时期。更好地了解火山活动与大气演化之间的联系将有助于我们更好地了解系外行星和宜居性。

科学家们知道伽利略卫星与木星大气层和磁层交换物质。他们还知道，从木卫一火山喷出的物质可以到达其他卫星的表面。其中一些物质可以被木星强大的磁层转化为等离子体，形成木卫一的等离子体环。他们对木星系统中的这种质量交换以及它如何塑造卫星感到好奇。

这就是专门前往木卫一执行任务的原因。

木星磁场环境示意图显示了该行星的环形磁场线、木卫一及其等离子体环以及木卫一的通量管。来源：JohnSpencer/WikipediaCC-BY-SA3.0，标签由作者提供

2010年，亚利桑那大学和约翰霍普金斯大学应用物理实验室的科学家首次提出了木卫一火山观测器(IVO)作为NASA发现计划的一部分。IVO被提议作为一项低成本任务，用于探索木星的火山卫星。2015年和2019年，该计划再次被提出。2020年，IVO与其他两个任务一起被选中进行进一步研究，但最终输给了DAVINCI+和VERITAS金星任务。

现在，又有一项关于木卫一火山观测站的提案，但这次，它属于NASA的新前沿计划。新提案表明，对以木卫一为重点的任务的渴望不会消失。相反，这种渴望正在升温。

在一篇仍在接受同行评审的新论文中，一组主要由美国科学家组成的团队介绍了他们对NewFrontiersIVO的看法。该论文的标题为“比较NASA发现号和NewFrontiers级的木卫一火山观测器(IVO)任务概念”，可在arXiv预印本服务器上找到。第一作者是亚利桑那大学月球与行星实验室的ChristopherHamilton。

根据作者的说法，IVONF将通过实现三个目标来解决我们的科学问题：

确定木卫一内部潮汐热的产生方式和位置;

了解潮汐热如何传输到木卫一表面;

了解木卫一是如何演变的。

根据最初的IVO方案，该航天器将在2033年抵达月球后四年内与木卫一相遇10次。它将携带五种仪器，第六种仪器正在考虑中。IVO将穿越木卫一的两极，在200至500公里(124至310英里)的高度越过赤道。

新视野号航天器拍摄的木星卫星木卫一。该任务的相机捕捉到了这颗卫星上一座火山喷发的景象。一项对木卫一的新任务可能会让航天器直接飞过这些羽流之一进行采样。图片来源：NASA戈达德太空飞行中心科学可视化工作室

最接近的路径是经过精心设计的，以便航天器能够对月球的磁场、重力场和天平动幅度进行最佳观测。这些路径还可以同时在阳光照射和黑暗的条件下观察火山，使航天器能够研究熔岩的成分。极地视角将提供伽利略无法看到、地球无法观测到的月球散发热量的新视角。

新的IVONF提案保留了原IVO的极地轨道，但在几个方面进行了改进。《今日宇宙》与主要作者克里斯托弗·汉密尔顿谈论了这项新提案。他的评论经过了轻微编辑，以便清晰易懂。

新提案的第一个变化涉及飞越次数，将从10次增加到20次。

汉密尔顿说：“最初的发现级IVO任务的10次飞越将填补旅行者号和伽利略号时代之后未填补的图像覆盖的重要空白。”那么为什么要将其增加一倍呢?

“新一轮飞行不仅使木卫一表面的高分辨率图像覆盖率翻了一番，而且还使探测器能够飞越更多活火山，如洛基火山、洛基火山口和皮利安火山口，”汉密尔顿说。“这些都是高度动态的火山系统，包括活跃的熔岩湖和性喷发——一次飞越火山系统根本不足以限制它们的时间变化和喷发动态。”

和地球的卫星一样，木卫一也被潮汐锁定在木星上，其一侧比面向木星的一侧更容易研究。但木星对木卫一的影响比地球对月球的影响要强烈得多。“然而，木星和木卫一之间的潮汐相互作用要强烈得多，在固体岩石中激发的潮汐幅度约为100米(328英尺)，比自由女神像还要高!”汉密尔顿说。

这些潮汐相互作用推动了木卫一强大的火山活动。“然而，过去十年的研究表明，这种热量也融化了木卫一内部的一层，形成了地下的‘岩浆海洋’，”汉密尔顿说。

原IVO的10条轨道及其磁力仪可以证实或排除这一假设。新提案将携带该仪器的改进版本，随着轨道的增加，它可以解答有关木卫一岩浆海洋的问题。

汉密尔顿说：“IVO-NF还将携带一个磁通门磁力仪，通过重复飞行，精确地测量木卫一在其轨道上的不同时间产生的感应磁场，将大大减少估计潜在岩浆海深度的不确定性。”

目前的误差为±10公里，但IVONF会将其降低至±3公里。汉密尔顿告诉《今日宇宙》，这“将彻底改变我们对木卫一内部以及潮汐加热与火山活动之间联系的理解”。

“IVO和IVO-NF都是伟大的任务，但飞越次数增加一倍，木卫一任务的科学回报将增加一倍以上!”汉密尔顿说。

IVO-NF也将比原始IVO更接近木卫一。原始任务要求飞行高度为木卫一表面以上200和500公里(124和310英里)。IVO-NF将从高空飞越开始其任务，但随着任务的进展和目标的实现，它将离木卫一更近。

汉密尔顿告诉《今日宇宙》：“通过20次飞越，IVO-NF可以更加大胆，飞得更接近木卫一的表面，甚至飞过它的火山羽流，以前所未有的细节确定其喷发产物的化学成分。”

最初的飞越高度将在200公里左右，“但随着任务的进展和基线目标的实现，我们将能够降低后续飞越佩雷帕特拉等活火山的高度，”汉密尔顿说。

“尽管如此，我们还是会首先对这些火山进行成像和分析，利用重复覆盖进一步限制近距离接近的安全性，并采取预防措施，例如重新调整航天器的太阳能电池板，使它们侧面飞过羽流，而不是暴露整个横截面积，”汉密尔顿告诉《今日宇宙》。

“对木卫一羽流的飞越也将为对土星活跃卫星土卫二上的羽流进行其他采样机会打开大门。”

汉密尔顿说：“这看起来似乎很危险，但即使在50公里的高度，颗粒物也非常少。”但在航天器接近地面之前，它将使用表面灰尘分析仪来了解危险程度。

该仪器被作为首要任务添加到IVO-NF中。它将测量表面尘埃成分和火山羽流中纳米颗粒的成分。总的来说，它将让科学家更好地了解木卫一的尘埃环境，并告知他们在50公里内接近是否安全。

据汉密尔顿称，我们正在经历探索木星系统的复兴。

汉密尔顿告诉《今日宇宙》：“这是行星探索的重要时刻，对木星系统的探索正在复兴，朱诺号、木卫二快船和JUICE将同时对木星、木卫二和木卫三进行探测。”

木卫一是木星卫星系统的重要组成部分。它位于木卫一、木卫二和木卫三之间轨道共振结构的核心，共振驱动着这三颗卫星上的地质活动，包括火山活动、构造活动和表面特征的形成。

汉密尔顿说：“朱诺号填补了伽利略号任务(1995-2003年)结束后留下的一些重要空白，但IVO和IVO-NF将是第一个拥有专门针对木卫一进行优化的仪器套件的探测器。”

对于求知欲强的人来说，自然界的一切都值得研究和深入了解。像木卫一这样非凡的星球当然也不例外，它向我们揭示了关于它自己、它的姊妹卫星，甚至关于早期地球和月球的一切。

汉密尔顿告诉《今日宇宙》：“我们的论文表明，木卫一是优先探索的目标，应该在下一次新边疆机遇号公告中予以考虑。”他承认，最初的IVO任务在发现级是可能的，但IVO新边疆任务将取得更多成就，并将更彻底地解决我们关于木卫一的未决问题。

汉密尔顿总结道：“通过新边疆号对木卫一进行更大规模的探测将使该任务的科学回报增加一倍以上，并将提供最佳方法来了解木卫一、整个木星系统以及早期地球、早期月球和太阳系及更远的其他类地行星等高热通量世界的起源。”