科學研究 - 外星生命「發現前夜」，日本參與開發的偵檢器啓程前往木星人造衛星

芥川龍之介曾說「生命並不一定具備我們的五官能感受到的條件」（出自警句集《侏儒的話》），果真如此嗎。在21世紀的今天，人類發射了新的太空探測器向這句話發起挑戰。歐洲發射的「JUICE」偵檢器就旨在木星的人造衛星上尋找外星生命的線索。日本也參與了其中重要觀測儀器的開發和科學研究。該偵檢器將在8年後到達木星。那麼，木星的人造衛星上到底是否存在生命，又是否可以用科學技術磨鍊的「五感」捕捉到呢？

環繞木衛三（Jupiter III Ganymede）飛行的JUICE偵檢器想像圖（供圖：JAXA）

「回答人類最大的疑問」

JUICE於日本時間4月14日晚9時14分，由歐洲阿麗亞娜5號（Ariane 5）火箭搭載的偵檢器從南美洲洲法屬圭亞那太空中心發射升空。經過28分鐘的平穩飛行，成功進入了1500公里高空的地球逃逸軌道。又經過22分鐘後，當JUICE的訊號在地面上得到應答時，管制員們紛紛高興地鼓掌擁抱慶祝。歐洲航太局（ESA）負責人約瑟夫·阿施巴赫（Josef Aschbacher）表示：「爲了回答人類最大的疑問，我們將共同擴展科學和探索的極限」。 ESA在翌日的15日晚上公佈了逐漸遠離地球的JUICE所拍攝的第一批影像。

這是ESA首次探索木星系，也是長期開發計劃「宇宙願景（Cosmic Vision）」的首次大規模探索。JUICE偵檢器含燃料重6噸，太陽能電池展開後的寬度爲27米，是太陽系偵檢器史上最大的太空船。搭載了包括日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）和日本資訊通訊研究機構（NICT）參與開發的4臺、共計10臺觀測儀器。

未來，JUICE將利用地球、月球和金星的重力反復改變軌道和速度進行「繞行星變軌（swing-by）」，將於2031年7月到達木星軌道。觀測木星的大氣層和磁層，並對3顆人造衛星進行35次接近探測，之後將於2034年12月進入3顆人造衛星中最重要的木衛三軌道。2035年9月，將與木衛三撞擊，結束使命。JUICE是「JUpiter ICy moons Explorer，木星冰月偵檢器」的縮寫。不知道相關人員是否有用果汁來乾杯慶祝發射成功之意。

（左）搭載JUICE的阿麗亞娜5號火箭發射升空的情景（日本時間4月14日晚，法屬圭亞那，供圖：ESA），（右）發射4分鐘後JUICE拍攝的地球（供圖：ESA等）

伽利略發現的人造衛星上有海嗎？以及…

統括JAXA的JUICE科學研究專案，探索生命起源的東京工業大學地球生命科學研究所所長關根康人強調，「儘管由歐洲主導，但日本在其中的科學領域發揮了非常重要的作用。日本終於踏上了探索太陽系氣態巨行星和尋找生命存在可能性的征程，這將成爲一次令人難忘的探索。」

從太陽的角度來看，木星是排在地球之外的第2顆行星。它的直徑是地球的11倍，重量是地球的318倍，是太陽系中未能成爲恆星的最大行星。木星沒有像地球或火星那樣的堅硬的地面，大部分的重量由氫和氦構成。因此，與土星一起被歸類爲氣態行星。

那麼，爲何要在木星上尋找生命呢？JUICE的探測目標是環繞木星的大大小小95顆人造衛星中的3顆。木星由内向外依次有4大人造衛星，分別爲木衛一·伊奧（Io）、木衛二·歐元巴（Europa）、木衛三·蓋尼米得（Ganymede）和木衛四·卡里斯托（Callisto），由於這四顆人造衛星是被伽利略·伽利雷在1610年發現的，因此也被統稱爲伽利略人造衛星。除了擁有活火山的木衛一·伊奧外，其餘3顆都是表面被厚厚冰層覆蓋的「冰人造衛星」。在這些人造衛星上，由於木星巨大重力引起的潮汐效應會使冰變形，從而產生熱量。由此，科研人員認爲其冰層下方存在冰解凍形成的海洋。按照關根所長的說法，木衛二·歐元巴上幾乎確定存在地下海，木衛三·蓋尼米得上存在地下海的可能性也很大。此外，在近十年的研究中，人們開始越來越多的探討木星和土星等冰人造衛星的海洋中存在生命的可能性。

伽利略人造衛星。從右上側按順時針方向分別是木衛一·伊奧、木衛三·蓋尼米得、木衛四·卡里斯托和木衛二·歐元巴（供圖：NASA，合成照片）

一般認爲液態水、有機物質和能量是孕育生命必不可少的三要素。地球上只要有這些東西的地方，就一定有生命存在。因此，關注要點就成了這些人造衛星上是否同時存在這三要素。

在地球的深海底部，存在被岩漿加熱的熱液噴口。據悉在這裏存在着透過從水和岩石在高溫下發生反應產生氫氣，從而獲取能量生存的獨特微生物生態系統。研究人員推測，冰人造衛星的海洋中或許也存在能量和有機物質。如果存在生命，應該會有新陳代謝活動產生的物質或身體的部分物質。JUICE將從人造衛星上空探查從人造衛星地表噴出或落下的海水成分。

關根所長表示，「日本的地球化學、地質學和行星科學界共同合作，已經在世界上率先揭示了土星人造衛星的地下海成分。日本具有領先優勢」。根據偵檢器的資料和再現實驗，證實土星的人造衛星·恩開多斯（Enceladus）滿足了生命存在的三要素，並且海床有類似熱水噴出口的跡象。

另一方面，緊追JUICE之後，美國也計劃於2024年10月向木衛二發射「歐元巴快船」（Europa Clipper）偵檢器。不起眼的木星人造衛星，現在已經成爲歐美爭奪「人類歷史上最大發現」的舞臺。

木星的大移動會對太陽系造成怎樣的影響

2019年哈勃太空望遠鏡拍攝到的木星（供圖：NASA、ESA等）

JUICE的另一個探測主題是太陽系的起源。關於太陽系的起源，人類至今尚未完全弄清楚。

目前一般認爲，在太陽系早期，由氣體和塵埃聚集的雲團形成小天體，小天體透過反復碰撞合併演化成行星。靠近太陽的行星由於高溫，水分被蒸發，形成岩石星體，遠離太陽的行星則會因爲低溫而形成冰行星。然而，近20年來，太陽系之外不斷髮現以往理論無法解釋的行星，所以行星系統形成理論似乎又被歸零了。

小行星探測器「隼鳥2號」的觀測結果等表明，水和有機物質遍佈太陽系的廣泛區域。有觀點認爲，其終極因數是擁有巨大重力的木星的行程，攪動了太陽系内部，使許多帶有水和有機物質的小天體散落到了各處。

被認爲極大影響了太陽系狀態的木星是何時、何地、如何形成的，以及經歷過怎樣的移動？對於由氣體構成的木星來說，由於氣體會很快抹去事件發生的證據，所以想要了解真相非常困難。所以，研究容易留下隕石坑等的由固體構成的，且與木星有着相同歷史的人造衛星會更加便利。包括被認爲到達地球的生命材料物質的起源在内，對木星人造衛星的詳細研究，有望成爲明確太陽系歷史的關鍵。

太陽系外已經發現了很多和木星一樣的巨行星，對木星的研究也有望對探索這些行星移動的可能性提供線索。關根所長解釋說，「這將有助於我們瞭解像地球這樣擁有海洋和大氣的行星誕生的機率，以及生命是否是一種特殊的存在。」

瞭解不同於地球的磁層

地球和木星等部分行星具有使整個行星看起來像一塊巨大磁鐵的磁場。另一方面，太陽會透過太陽風射出帶電粒子和電漿。磁場被太陽風抑制，形成一個環繞地球的磁層圈。如果沒有磁場，太陽風就會吹走地球的大氣，如果沒有太陽風，來自遙遠太空的對生命有害的粒子就會降落在地球上。瞭解磁場、磁層和太陽風的特性將深化物理可用能學知識，以及對行星孕育生命的條件的理解。

木星擁有太陽系中最強的磁場，且高速旋轉，劇烈加速周圍的電漿。研究其詳細機制和影響是JUICE的另一個重要課題。今後將進一步詳細調查木衛一產生的電漿加速和太陽系的人造衛星中唯一具有固定磁場的木衛三。

JUICE的JAXA團隊負責人齋藤義文教授表示，「木衛三的固有磁層又嵌入在木星的大磁層中，我們想透過瞭解這種與地球不同的特殊條件下發生的現象，從而加深理解。」關根所長補充說：「電漿的觀測對於外星生命的研究也很重要。」這是因爲電漿撞擊冰人造衛星表面時會分解冰併產生氧氣等。

JUICE探索木衛三磁層的概念圖。木衛三磁層位於木星磁層内，形成「雙重磁層構造」（供圖：JAXA）

日本在觀測儀器開發方面發揮了重要作用

日本在JUICE的4個觀測儀器的開發中發揮了關鍵作用。NICT負責開發了觀測人造衛星的大氣和地表的「太赫茲光譜儀」，JAXA負責開發了調查木衛三地形及其變化的「木衛三雷射高度計」、觀測電漿碰撞產生中性粒子的「電漿環境觀測容器·非熱中性粒子分析儀」，以及有助於闡明磁層、人造衛星大氣、地下海等的「電磁波·電漿波動觀測器」。在科學研究專案方面，日本參與了JUICE的所有研究課題。另外，美國和以色列也參與了JUICE專案。

負責雷射高度計的JAXA鹽穀圭吾副教授表示：「如果木衛三有地下海，人造衛星就會因潮汐效應而變形。如果地下是固體，則不會產生這種效果。所以可以透過測量確定海洋的存在與否。」

日本的研究人員多年來也一直密切關注着木星，在JUICE之前，曾一度探討過單獨開發木星探測器事宜。但由於2011年東日本大地面震動導致預算削減等因素，開發被迫中止。JUICE將在8年後到達木星，這個程序似乎有些漫長，但在此之前，不僅是科學界，福斯也對此滿懷期待。

理解生命，需要綜合知識

木衛二表面噴水想像圖。由哈勃太空望遠鏡拍攝，於2013年發表，被認爲來源於地下海。在那裏，生命是否存在……（供圖：NASA、ESA等）

近年來，日本的太陽系探索伴隨着隼鳥1號和隼鳥2號的出現而備受矚目，但同樣值得注意的是，日本的探索領域正向水星、木星擴展。日歐聯合的水星探索計劃「BepiColombo」（比皮科倫坡）偵檢器正朝着水星航行，預計2025年末抵達。金星探測器「曉」號雖歷經磨難，已於2015年進入金星軌道，現正在飛行之中。此外還有從火星人造衛星火衛一（Phobos）上收集樣本並運回地球的「MMX」計劃。

對於月球，有JAXA實證高精度軟著陸技術的「SLIM」計劃。民間企業方面，宇宙初創企業ispace（東京）的計劃「Hakuto R（白兔號）」的着陸器（4月26日因高度探測出錯，月球表面軟著陸宣告失敗）。

總而言之，儘管可能有些過於樂觀，但筆者（50歲）即便見不到土人造衛星的樣子，仍期待着能在自己的有生之年瞭解到人類發現外星生命存在的科學證據。現在正處於「發現前夜」，這樣想至少能讓生活多少變得有趣一些。繼本文開頭提到的那句話之後，芥川龍之介還寫道，火星生命「今晚或許也會伴隨着將梧桐染黃的秋風來到銀座」。雖然我不知道它們是否在銀座，但我相信在火星上，即便是以地下微生物的形式，或許存在着不爲人知的生命。

每當筆者看到或聽到以JUICE爲代表的太陽系探索、系外行星觀測及理論研究相關的資訊時，就會充滿期待。透過向系外行星發射偵檢器，即便無法找到確切證據，也有望獲得生命存在的痕跡。另一方面，如果「沒有找到」的情況一直持續的話，該如何看待地外生命搜尋專案本身呢？爲了加深對生命的理解，不僅需要理工學的各領域，還需要結合人文和社會科學領域的綜合知識。尋找外星生命將讓人類認識到這顆星球（地球）的寶貴，以及讓我們對如何更好地生活有更好的視野。