在威尔士一个异常炎热的夏日，桑杰·维詹德兰 (Sanjay Vijendran) 和同事将火箭雪橇瞄准了一块大象大小的冰块。
滑橇停在凸起的金属轨道上，上面载着一捆看起来像卡通画中的 TNT，以推动装置以音速飞行。在滑橇前面，第二个滑橇上装着一个装满科学仪器的子弹形罐子。
维詹德兰是欧洲航天局的一名物理学家，他准备将这个罐子扔进位于彭迪恩的英国国防部的一块重达 6,200 公斤的冰块中。
研究人员手边备有链锯，以防罐子被卡住，他们看着雪橇沿着轨道飞驰，罐子以每秒超过 340 米的速度飞向空中。它飞过一辆校车的长度，然后几乎穿透了 3 米长的冰块，喷出如喷泉般的雪花状冰屑。
维杰德兰在谈到 2013 年 7 月的那次试验时说：“一切都在不到两秒钟内就结束了。如果你一眨眼，就错过了。”
维金德兰和他的同事们想把这场烟火盛宴带到一个无人能见的地方。他们正在尝试设计一种足够强大的装置，能够穿透木星的第四大卫星，经受住撞击并获取冰样本。
这颗名为木卫二的卫星看上去和太阳系外的任何地方一样荒凉、不吸引人。它冰冷的外表比地球上最寒冷的地方还要冷 100 多摄氏度。辐射爆发席卷了木卫二的表面。但在木卫二不适宜居住的外表之下，科学家认为有一片巨大的液态水海洋在流动。这颗卫星的海底也可能因火山和热液喷口的活动而热闹非凡。如果像一些科学家猜测的那样，来自表面的化学物质通过冰层滴落下来，木卫二可能拥有生命所需的所有必要成分。
美国宇航局加利福尼亚州帕萨迪纳喷气推进实验室的天体生物学家凯文·汉德说，地球海底的热液喷口充满了生命。“这里有令人难以置信的管虫、螃蟹、鱼和微生物生态系统，”他说。“谁也说不准在木卫二上能否找到管虫。”
如果它们真的存在，科学家必须剥开月球的冰壳才能找到答案。世界各地的研究团队都在试图找出如何刺穿、融化或钻穿冰层的方法。这并不简单。即使他们可以派钻机的工程师和笨重的机器前往木卫二，这颗卫星的冰层也可能比地球上任何冰层厚四倍。估计值各不相同，但冰壳可能深达 20 多公里——大约相当于 53 座帝国大厦叠在一起的高度。
深入月球海洋的探测任务可能还需要几十年的时间。但如果科学家在冰或水中发现微生物，其影响将堪比哥白尼。
西雅图华盛顿大学的物理学家戴尔·温布伦纳说，“如果我们在同一个太阳系中两次发现生命，那就告诉我们，当你在夜晚抬头时，你会看到很多地方可能有微生物存在。”
突破外壳
四个多世纪前，伽利略·伽利莱将望远镜对准夜空，凝视着木卫二。他原本瞄准的是木星，却看到四颗卫星围绕着这颗气态巨星旋转。科学家后来以木星一位神话中的情人的名字将其中最小的一颗命名为木卫二。
1979 年，旅行者 2 号飞船飞过木星，现代天文学家得以仔细观察这颗冰冻卫星。他们所见所闻令他们大吃一惊：木卫二表面没有典型的古老痕迹。与木星的其他卫星不同，木卫二的冰层基本没有被撞击坑留下的凹痕所破坏。
“这就是一切的开始，”亚特兰大佐治亚理工学院的行星科学家布兰妮·施密特说，“从那时起人们就变得非常兴奋。”
刮擦表面
科学家们怀疑木卫二的新鲜、年轻的皮肤可能信号地质活动. 美国宇航局的汉德说，当卫星绕木星运行时，这颗巨大行星的引力会像拉动一团软糖一样拉动木卫二。这种拉力可能会在卫星内部产生热量，从而有助于搅动冰壳，抹去过去陨石坑的证据。他说，动荡的内部也可能意味着生命可以利用的能量。
后来，伽利略号木星轨道探测器的数据显示，这块外壳下隐藏着一片咸水海洋，其中的液态水量可能是地球上的两倍多。探索这片广阔海洋的想法促使许多科学家开始寻找可用于太空的冰钻。
不管怎样，这种装置必须能够穿透月球的冰壳——也许是用炽热的金属或钻头的锯齿状齿——并且携带足够的电力来完成这项工作。这种装置必须比地球上用来钻穿冰层的任何装置更简单、更可靠，而且必须能够自行运转。没有办法把一队工程师派到太阳系的边缘。而且，整个冰层隧道、电力输送、无故障的装置必须足够轻，才能发射到地球引力范围之外。
这是一项艰巨的任务。因此，维金德兰的团队采取了更为温和的方法。研究人员只想刺穿木卫二的外壳。他们的“冰穿透器”会撞入卫星表面，就像埋在肉里的碎片一样，卡在冰壳内。在设备内部，显微镜、质谱仪和电极可以分析从坠机现场取出的冰冻碎片。“这套非常基本的仪器仍将为我们提供有关冰面天体生物学潜力的有趣图景，”维金德兰说。
“这与火星探测任务非常不同，在火星探测任务中，你需要花时间，花费数月甚至数年的时间进行实验，”他说，“而这将是一个快速、一次性的事情。”
甚至可能足以利用木卫二的水。Schmidt 和同事在 2007 年报告称，水袋可能残留在冰层表面本身中。自然在2011年 （SN：12/17/11，第 5 页）研究人员在 1 月份表示，水蒸气羽流可能会从壳中喷出。科学（SN：1/25/14，第 6 页）如果这些气囊或羽状物中含有微小的微生物，冰穿透器也许能够探测到它们，这可能暗示着在更深处生活着更复杂的生物。
施密特说：“我们可能不必远赴海洋去观察木卫二的水中是否有生物。”
更重要的是，该队的穿透系统总重约 150 公斤（大约相当于一名足球前锋的体重），足够小，可以送入太空。但它太大了，无法搭载欧洲航天局即将执行的 JUICE（木星冰卫星探测器）任务。该航天器定于 2022 年发射，并于 2030 年抵达木星系统。
维金德兰从办公室的窗台上举起团队的原型，将罐子抱在怀里。罐子大约有 2 升汽水瓶那么大，但更重，经过去年的试运行，罐子状况非常好。蓝色油漆上的几处细小的磨损露出闪亮的钢片。
在威尔士进行的测试证明，该设计可以承受冲击，同时还能保护内部设备。今年夏天，该团队希望制造出能够承受冰冲击的电池和通信系统。
德克萨斯州奥斯汀附近 Stone Aerospace 公司的研究员维多利亚·西格尔说，与在冰层下开凿隧道的装置相比，“穿透器项目更便宜，而且成功率也更高。”
融化
然而，西格尔和其他人的目标仍然是海洋。“那里将会发生重大事件，”她说。到达那个重大事件比探索月球表面要复杂得多。
自 2011 年以来，Siegel 和 Stone Aerospace 的同事一直在研究一种可以融化木卫二冰层的装置，该装置可以喷射加热的融水来清理前进的道路并进行导航。一旦穿过冰层，这种称为低温机器人的装置就会从其腹部将一艘微型潜艇发射到海洋中。
挖掘
西格尔说：“它相当于一辆火星探测器，但是是水下航行器的形式。”
该计划雄心勃勃，但该公司的科学家和工程师已经制造了低温机器人的原型，并处于建造水下机器人的早期阶段。该机器人是美国宇航局资助的施密特领导的 SIMPLE 项目的一部分，该项目可以帮助校准冰穿透雷达技术，以便航天器有朝一日能够更清晰地描绘出木卫二的冰层。低温机器人和水下机器人加起来重约 180 公斤。
低温机器人是一根管子，长度与一辆小型汽车相当，电线盘绕在光滑的铝制框架内，五个喷嘴排列在圆顶头部。通过加热头部的铝块，低温机器人可以融化冰，然后吸入水并喷射出热流。为了融化木卫二的超冷冰，机器人需要携带某种机载核反应堆。西格尔和同事们正在地球上测试他们的设备，使用连接到机器的光纤电线泵送的激光。
当该团队向光纤和激光器制造商提出这个想法时，“他们都说，‘你要烧掉光纤，然后一切都会化为乌有，化为一片浓烟’，”西格尔说。
但电源起作用了，去年 10 月，研究小组利用它将低温机器人送过了 2 米高的冰块。
在公司大型仓库式车间，六个人围在低温机器人周围。旁边的一张桌子上放着显示机器人温度读数的电脑显示器，团队成员密切关注着机器，以确保机器不会过热。如果出现问题，他们可以伸手按一下按钮。“它就像一个巨大的红色威利狼紧急停止按钮，”西格尔说。“它会立即关闭激光。”
该团队用起重机将机器人吊到冰块顶部，然后启动激光。橙色安全灯闪烁，激光冷却系统启动，发出像大冰箱一样的轰隆声。
光线通过光纤流向低温机器人，然后，西格尔说，“瞧，它真的开始下降了。”
这台机器以每小时约 1 米的速度熔化了岩块——考虑到运行喷射装置的两台泵中一台发生故障，这可谓是了不起的壮举。西格尔于 12 月在旧金山举行的美国地球物理联合会会议上报告了这一成功。
目前，该团队正在研究机器人的转向喷气装置，并试图将传感工具整合到机器人体内。今年 6 月，该团队将前往阿拉斯加的马塔努斯卡冰川，并尝试融化约 30 米厚的冰层。西格尔说，在下行途中，该团队将测试机器人的工具并收集有关冰层内生物的数据。
悬空钻头
加利福尼亚州帕萨迪纳市 Honeybee Robotics 公司的工程师克里斯·扎克尼 (Kris Zacny) 表示，钻孔是一种更简单的方法，而且不需要像低温机器人那样大的功率。
在过去的一个世纪里，石油和天然气行业一直使用分段式钻头深入地表之下。随着隧道越来越深，工程师们不断添加分段式钻头以延长钻头的长度，并泵入液体以清理孔洞。
吃吧
这些钻机并不是前往木卫二执行任务的不二之选：许多部件会使钻头变得很重，而且钻井液可能会冻结。因此，扎克尼及其同事与喷气推进实验室的科学家合作设计了另一种钻机。
他们想出了一个绳索钻进这个名为 Auto-Gopher 的管子重 22 公斤，长 2 米，直径与汽水罐相当，悬挂在一根绳索上。
“它就像一根钓鱼竿，”扎克尼说道，“在钓鱼线的末端有一个钻头。”
该团队的装备将冰钓发挥到了极致：它将停留在木卫二的表面，用一根细绳悬挂钻头，当钻头咬破冰层时，钻头将钻头放入壳中。
Auto-Gopher 的尖端有八颗尖锐的齿。它们由碳化钨制成，科学家可以将这种材料设计成几乎牢不可破的倒钩，以咬穿岩石和冰。当研究人员打开马达时，旋转系统会转动钻头，将齿向下钻。
碳化钨很坚硬，但钻穿数公里厚的冰层可能会使钻头的齿变钝，或者钻头可能会碰到特别坚硬的岩层。因此，Zacny 的团队在 Auto-Gopher 的机身上装了一个冲击系统，可以像锤子一样将钻头敲入岩石中。
扎克尼说，研究人员不需要太多的电力来凿冰。即使钻头旋转，锤击系统全速运转，Auto-Gopher 也只需要 350 瓦左右的功率，比一般的吹风机耗电还少。扎克尼说，像好奇号这样的火星车可以携带足够的电量来运行这样的钻头和科学仪器。
他和同事使用 Auto-Gopher 在南加州的一个石膏采石场钻了大约 3 米深的岩石。他说，这种岩石的强度和均匀度与冰相似。去年 3 月，该团队在蒙大拿州比格斯凯举行的 2013 年 IEEE 航空航天会议上报告称，在最高速度下，钻头移动速度比 Stone Aerospace 的低温机器人稍快 - 大约每小时 1.6 米。但研究人员遇到了一个大障碍：他们必须定期停下来清理钻孔中的岩芯。
“你会认为核心总是一个可以抓住并拉出来的漂亮圆柱体吗？”扎克尼说。事实并非如此。“有时核心会破碎成碎片。”
木卫二的冰层之下隐藏着一片液态海洋，可能还存在生命。科学家们正在寻找方法，突破木卫二寒冷的外壳，探索下面的水域。由 Ashley Yeager 制作 |
目前，该团队正在研发一种新型改良钻机，即美国自然历史博物馆深钻机 (AMNH Deep Drill)，以其资金来源美国自然历史博物馆命名。这种钻机将把岩石或冰屑运送到管内的容器中，而不是从钻孔中取出岩芯。研究人员计划在管内装入电子和设备，例如显微镜和传感器。
扎克尼认为，使用其团队的钻探系统探索木卫二有两大优势。首先，通过在钻头突破外壳时捕获冰屑，“你可以系统地获取每一英尺冰层的数据，”他说。
其次，通过将钻头悬挂在电线上，该团队避免了增加大量钻头段来增加地面设备的重量。
但即使每米只有 10 克左右，10 公里长的系绳（缠绕光纤的凯夫拉电缆）也会重达 100 公斤。扎克尼表示，使用碳纳米管等更轻的材料可以减轻系绳的重量。
他和同事计划于秋季在石膏采石场测试 AMNH 深钻。这次他们的目标是 30 米深。
扎克尼对该团队的发明持乐观态度：“在未来十年内部署这种钻机是可行的，”他说。
到达那里
即使某种可以刺穿木卫二冰层的技术在 10 年内准备就绪，美国登陆木星卫星的前景仍远未确定。
施密特协助制定了一项耗资 20 亿美元的任务概念，即建造一艘名为“欧罗巴快船”的航天器。这艘飞船将绕木星飞行，并从一系列飞越中发回有关欧罗巴的数据，以试图查明这颗卫星是否适合居住。“这是一个非常了不起的概念，既能完成科学研究，又能尽可能地控制成本，”她说。
生活必需品
3 月，奥巴马总统提议为木卫二任务提供研究资金 —— 这是总统预算首次将遥远的月球纳入其中。但 NASA 希望以 Clipper 一半的成本完成任务。
施密特说：“这就像一记耳光。”
她很高兴总统的预算现在包括了木卫二计划，但对资金不太理想感到沮丧。施密特说，科学家们已经研究了 15 年的木卫二任务，而 NASA 一直在高价和低价之间徘徊。
美国宇航局天体生物学家克里斯托弗·麦凯认为，新预算足以支持一次激动人心的木卫二探测任务——只是一次规模较小、重点突出的任务。
“从小处着手，然后逐步扩大规模，这非常有意义，”他说，“我认为 10 亿美元蕴藏着各种各样的机会。”他希望将照相机和麦克风安装到木卫二表面，拍摄地貌照片，聆听冰层的声音。
“冰会说话，”他说，“它总是吱吱作响、呻吟、开裂、喋喋不休。冰在讲述一个故事——我们所要做的就是把耳朵贴在地上，仔细聆听。”
此外，他补充说，成本较低的任务可能有助于为以后更昂贵的任务争取支持。“想象一下从地面拍摄的木卫二照片可以激发人们的兴趣。”
无论何时，表面穿透技术最终都会投入使用，它们也可能对太阳系的其他地方有用。科学家已经标记出其他可能适合居住的地点，例如土星富含碳氢化合物的卫星土卫六和富含水的卫星土卫二（SN：5/3/14，第 11 页）。
但对施密特和其他科学家来说，木卫二才是首要目标：它有水、有潜在的营养物质供应，表面之下还有可能蕴藏着能量。
“我们认为地质活动是决定一颗行星是否适宜居住的重要因素，”她说，“这就是木卫二如此令人兴奋的原因。”
华盛顿大学的温布伦纳说，探索月球冰层内部或之下是否有生物存在，将触及“我们面临的一些最大科学问题”。他说：“那里有人吗？如果有，生命可能分布得有多广？”
