13年地面雷达研究揭示木卫二冰壳秘密
精选图片： [木卫二合成图像叠加雷达数据；图片来源：NASA/JPL-Caltech/NSF/GBO]
13年来，科学家们利用地球上两个最强大的无线电设施向木星的冰卫星木卫二发射雷达信号。其结果是有史以来最详细的地面雷达图像，并证实了一个非凡的事实：木卫二的表面反射电波的方式更像一面镜子，而非典型的天体。这一发现加强了冰层下隐藏着液态水海洋的证据。
这项研究于2026年6月在美国天文学会第248届会议上公布，使用了位于加利福尼亚州的NASA戈尔德斯通太阳系雷达作为发射器，以及位于西弗吉尼亚州的国家科学基金会格林班克望远镜作为接收器。这种双站配置使研究人员能够测量木卫二冰面在广泛旋转角度下如何反射雷达信号，其覆盖范围远远超过了1987年至1991年间利用现已坍塌的阿雷西博天文台进行的早期观测。
三大关键发现
研究团队报告了三项主要结果。首先，木卫二的雷达反照率（即亮度）远高于其他行星天体，与阿雷西博时代的测量结果一致。其次，该卫星的冰面以高度镜面反射的方式反射雷达信号，与大多数太阳系天体观测到的漫散射不同。第三，研究确认了相干后向散射效应，这是一种当信号穿过纯净水冰时产生高雷达反射率的物理现象。
第三项发现尤为重要。相干后向散射效应是极纯净水冰的特征信号，其在木卫二、木卫三和木卫四上的存在加强了所有三颗伽利略卫星都拥有地下液态水海洋的证据。雷达信号要么在冰水界面反射，要么在异常纯净的冰粒内发生相干散射。
“像NASA的木卫二快船这样的未来行星科学和太空飞行任务可以从这类雷达科学中受益，”该研究的合著者、格林班克天文台的威尔·阿门特劳特表示。”随着格林班克望远镜雷达能力的不断提升以及目前正在开发的新技术，我们期待为科学界提供更强大的雷达能力。”
冰层之下
木卫二比地球的月球略小，长期以来一直被认为是寻找地外生命最有希望的目标之一。1995年至2003年间，伽利略号探测器的磁力计数据证实了其地下海洋的存在，其中所含的水量估计是地球上所有海洋总和的两倍。
覆盖海洋的冰壳厚度数十年来一直是激烈争论的焦点。估计范围从不到1公里（0.5英里）到数十公里不等。2026年1月，NASA的朱诺号任务提供了首个确切的测量结果：根据2022年9月朱诺号近距离飞越木卫二时收集的微波辐射计数据，平均厚度约为29公里（18英里）。
NASA喷气推进实验室的朱诺号项目科学家史蒂夫·莱文提醒说，这一数字反映的是传导性外层。”18英里的估计值涉及纯水冰壳的寒冷、坚硬、传导性外层，”他说。如果存在较温暖的对流性内层，整个冰壳会更厚。如果冰中含有少量溶解盐，厚度将减少约5公里（3英里），这完全在测量的不确定性范围内。
朱诺号还在近地表冰层中探测到了小型散射体，即半径不超过几厘米的裂缝和孔隙等不规则结构，延伸至数百米深处。它们的小尺寸和浅深度表明不太可能成为营养物质在表面和下方海洋之间移动的通道，这是评估木卫二宜居性的一个重要制约因素。
西南研究所的朱诺号首席研究员斯科特·博尔顿强调了其重要性。”木卫二冰壳的厚度以及冰壳内裂缝或孔隙的存在是理解木卫二潜在宜居性的两个关键拼图，”他说。”它们为NASA的木卫二快船和欧洲空间局的果汁号对木卫二的进一步研究提供了关键的新信息，这两艘探测器正在前往木星系统的途中。”
快船号在路上
NASA的木卫二快船是该机构有史以来建造的最大的行星探测器，于2024年10月发射，计划于2030年4月抵达木星。其为期四年的科学探测将包括49次飞越木卫二，最近距离将降至距表面仅25公里（16英里）。
其搭载的九台仪器中包括REASON（木卫二评估与测深雷达：海洋至近地表）。由德克萨斯大学地球物理研究所制造的REASON配备了双频冰穿透雷达，能够探测300米至30公里深度。在2025年3月的火星引力辅助飞越中，该仪器成功进行了测试，传回了60GB的数据。
“我们从这次飞越中获得了我们梦寐以求的一切，”REASON首席研究员唐·布兰肯希普说。”目标是确定雷达为木卫二任务做好了准备，它做到了。仪器的每个部分都证明了它完全按照我们的预期工作。”
戈尔德斯通和格林班克的研究为快船号的轨道雷达探测提供了地面补充。REASON将从轨道上直接绘制木卫二冰壳结构图，而地面数据则提供了可追溯到1980年代的长期基线，使科学家能够追踪数十年间地表特性的任何变化。
ESA的果汁号任务于2023年4月发射，将于2031年7月抵达木星，将为探测计划增加两次近距离飞越木卫二和12次飞越木卫四，从不同的轨道视角提供额外的雷达深度探测和成分数据。
木卫二为何重要
木卫二的海洋在木星强大引力的潮汐加热作用下，可能已经保持液态约40亿年。这种长寿性，加上海底的化学能源以及可能向冰层输送氧化剂的表面，使其成为太阳系中最可能存在地外生命的栖息地之一。
新的地面雷达数据为这一图景增添了关键的一块。表面的纯净水冰、镜面反射层以及现在通过直接测量确定的冰壳厚度，都有助于科学家构建模型，这些模型将在快船号和果汁号在本年代末开始科学探测时进行验证。
正如阿门特劳特所说，地面雷达并非轨道任务的替代品，而是可以连续运行数十年的补充手段。在快船号距离木星还有四年、果汁号飞行更长时间轨道的当下，戈尔德斯通和格林班克历时13年的观测为行星科学家提供了从地球观测木卫二秘密的最清晰视角。
婷 翻译