“朱諾”探木星

劉聲遠

2016年7月4日，美國宇航局“朱諾號”太空探測器（以下簡稱“朱諾”）進入環(huán)繞木星的軌道。這一事件引起天文學家和天文愛好者的高度關(guān)注。

它為什么叫“朱諾”？

美國宇航局解釋說，“朱諾”之名源自古希臘-古羅馬神話。宙斯神朱庇特用云霧籠罩自己，目的是掩藏自己的不幸。但他的妻子朱諾能看穿云霧，識破朱庇特的本質(zhì)。木星被非常稠密的大氣層包裹，正如朱庇特?！爸熘Z”探測木星，以這個名字命名這項任務(wù)十分貼切。

“朱諾”是怎樣發(fā)射的？

“朱諾”原定發(fā)射成本大約為7億美元，發(fā)射時間是2009年6月。因預(yù)算制約，發(fā)射時間被建議推遲到2011年8月。但到了2011年6月，任務(wù)總成本預(yù)算實際上已達11億美元。

2011年8月5日，在美國卡納維納爾角空軍基地，“朱諾”由“大力神5”火箭發(fā)射升空?！按罅ι?”運用了俄羅斯的設(shè)計，主引擎由煤油和液氧驅(qū)動。在五級捆綁式助推器點火之前，火箭接受了3.8秒的最終檢查?；鸺沾蠹s1分33秒后，固體燃料起飛助推器燃料耗盡，其中兩級助推器與火箭分離。1.5秒后，其余三級也脫離火箭?！爸熘Z”升空大約3分24秒后，升溫級別降到預(yù)設(shè)底限以下，護駕“朱諾”穿越稠密大氣層的負載整流罩也與火箭脫離?！爸熘Z”升空4分26秒后，火箭主引擎脫落。次級火箭“半人馬座”點火燃燒大約6分鐘，把“朱諾”送入初始停泊軌道?！爸熘Z”依靠慣性飛行大約30分鐘。接著，“半人馬座”再次點火燃燒9分鐘，把“朱諾”送進一條以太陽為中心的地球逃逸軌道。

“朱諾”之所以要自旋，是為了確保自己在整個旅途中的穩(wěn)定，這樣一來，飛行器上的所有儀器屆時才能觀測木星。在與“朱諾”分離之前，“半人馬座”運用反應(yīng)引擎，讓“朱諾”達到所需的每分鐘自旋轉(zhuǎn)數(shù)?！爸熘Z”升空大約54分鐘時，“半人馬座”與它分離，“朱諾”開始展開自己的太陽能電池板。當太陽能電池板全部展開并鎖定后，“朱諾”的電池開始充電。

借助地球引力

在以太陽為中心的橢圓形軌道中繞行了兩年后，“朱諾”在2013年10月回到地球附近，借助地球引力讓自己向著木星飛去。這一操作被稱為“引力援助”。在借助地球引力后，“朱諾”的飛行速度每秒增加了3.9千米，并且最終踏上了飛往木星的旅途。這次飛近地球，也是為了讓“朱諾”科學團隊能進行一次演練，目的是測試“朱諾”搭載的儀器，同時演練在“朱諾”抵達木星之前的一些操作程序。

“朱諾”這趟前往木星之旅歷時長達5年。到2013年8月12日，“朱諾”已完成了這趟旅途的一半。當?shù)竭_木星系統(tǒng)時，它已經(jīng)飛行了大約19天文單位（天文單位是指地球與太陽之間的平均距離，約為1.5億千米）。

“朱諾”是“老二”

“朱諾”是迄今為止僅有的兩艘環(huán)繞木星的飛行器（也稱飛船或探測器）中的第二艘，也是第一艘由太陽能驅(qū)動的木星飛行器，還是迄今為止從地球出發(fā)、飛得最遠的由太陽能驅(qū)動的飛行器。第一艘木星飛行器是核動力的“伽利略號”探測器，它在1995-2003年期間環(huán)繞了木星。2003年9月21日，在太空和木星系統(tǒng)中分別待了14年和8年的“伽利略號”被遙控終結(jié)任務(wù)，以超過每秒48千米的速度墜入木星大氣層，避免了地球生物（細菌）污染木星衛(wèi)星（木衛(wèi)）的可能性（至于原因，請參見后文“脫軌和解體”）。

與所有前往外太陽系的早期核動力飛行器不同，“朱諾”完全由太陽電池板驅(qū)動。太陽能電池板通常被用于在內(nèi)太陽系運行的人造衛(wèi)星，而飛往外太陽系以及更遠地方的飛行器通常采用放射性同位素熱電發(fā)電機。但對于“朱諾”來說，3個太陽能電池板陣列（其中之一是迄今為止部署在行星探測器上的最大陣列）在穩(wěn)定飛行器和產(chǎn)生動力方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

軌道和軌道環(huán)境

“朱諾”很扁的橢圓軌道，把它帶入靠近木星（距離木星在4300千米以內(nèi)）的極地軌道?！爸熘Z”將多次飛越木星兩極，那里有太陽系中最強烈的極光?？茖W家打趣說，木星是一顆服用了興奮劑的星球，它的一切都是極端的。接下來，橢圓軌道又將把“朱諾”帶到很遠的地方，甚至是在卡利斯托（木衛(wèi)四，木星最亮的四顆衛(wèi)星之一，是距木星第六遠的衛(wèi)星）的軌道外。2016年10月19日，一次旨在降低軌道偏心率的點火，將把“朱諾”送進一個距離木星云頂2000千米以內(nèi)的軌道，“朱諾”將在這里展開關(guān)鍵數(shù)據(jù)采集工作。在這個軌道中，“朱諾”只需14天就能環(huán)繞木星一圈?！爸熘Z”將這樣環(huán)繞木星37圈，直到任務(wù)終結(jié)。上述兩條軌道都利用了木星附近輻射帶中的一個間隙，讓“朱諾”能夠在一個輻射相對最小的區(qū)域中疾飛，從而保證“朱諾”的可運作性。

這些軌道能最大程度減少“朱諾”與木星強烈輻射帶的接觸，這種接觸會損壞“朱諾”的電子元器件和太陽能電池板。1厘米厚的鈦金屬“朱諾防輻射罩”，也有助于保護“朱諾”。雖然依然會面臨強輻射，但是“朱諾”搭載的相機（美國公眾可投票決定它的朝向）和木星紅外極光繪圖儀被設(shè)計成能經(jīng)受住“朱諾”對木星的至少8次環(huán)繞，“朱諾”搭載的微波輻射計被設(shè)計成能經(jīng)受住至少11次環(huán)繞。與美國宇航局“伽利略號”探測器之前在木星赤道軌道中的繞行相比，“朱諾”將受到的輻射水平要低得多。

插入木星軌道

木星的強大引力，把向著它而來的“朱諾”加速到大約每秒74千米。2016年7月5日，持續(xù)2012秒的插入點火讓“朱諾”減速至每秒542米，并且把它的雙曲線軌道變?yōu)闄E圓形的木星極地軌道，軌道周期約為53.5天，即“朱諾”環(huán)繞木星一圈需用時53.5天。2016年7月4～5日，“朱諾”完成了自己這趟木星之旅中的最難部分——準確進入木星極地軌道，這為“朱諾”在接下來20個月里采集探測數(shù)據(jù)和它最終的墜毀奠定了基礎(chǔ)。

脫軌和解體

按照計劃，“朱諾”將在第37次環(huán)繞木星期間結(jié)束自己的任務(wù)，并執(zhí)行一次遙控脫軌操作，在木星大氣層中解體。在近距離探測木星系統(tǒng)的過程中，“朱諾”將不可避免地暴露在木星磁層的強輻射中，這可能導致設(shè)備失靈和與木衛(wèi)（木星衛(wèi)星）相撞。按照美國宇航局制定的“行星保護指南”，這次遙控脫軌將清除“朱諾”的殘骸，消除造成污染的風險。事實上，美國宇航局避免“朱諾”污染的主要目標是歐羅巴（木衛(wèi)二，它被科學家認為是太陽系中除地球之外最有可能找到生命的地方）?！爸熘Z”的“壯烈殉職”過程將持續(xù)5.5天，在此期間，它將結(jié)束與地球的通信，下降到木星大氣層中。由于“朱諾”與木星致密大氣層之間的極高速摩擦，這艘探測器將徹底解體和燃盡自己。

“朱諾”的科學目標

“朱諾”搭載的整套科學儀器，將執(zhí)行以下探測任務(wù)：

查明氫氧比例。實際上是通過測量木星水的豐度，幫助辨別把木星形成與太陽系聯(lián)系起來的哪些流行理論可能是正確的。

獲取對木星核質(zhì)量的更好估計值。這也將有助于辨別把木星形成與太陽系聯(lián)系起來的哪些流行理論可能是正確的。

精確繪制木星引力場地圖，以便于分析木星內(nèi)部質(zhì)量分布，包括木星結(jié)構(gòu)和動力學特性。

精確繪制木星磁場地圖，以便于分析木星磁場來源和結(jié)構(gòu)，以及木星磁場產(chǎn)生于木星內(nèi)部怎樣的深度。這一探測也將有助于科學家了解“木星發(fā)電機”理論的基本物理學原理。

對木星所有緯度中壓強超過100巴（1巴=100千帕）的深度繪制大氣成分、溫度、結(jié)構(gòu)、云層不透明度和動力學地圖。

描述并探索木星極地磁層和極光的三維結(jié)構(gòu)。

測量由木星角動量造成的軌道參考系拖曳現(xiàn)象，并且有可能對與木星自轉(zhuǎn)有關(guān)的廣義相對論效應(yīng)進行一次新的檢驗。

木星：太陽系最大行星

木星是太陽系中從太陽開始數(shù)起、由近至遠的第五顆行星，也是太陽系中最大的行星。作為一顆巨行星，木星的質(zhì)量是太陽的1/1000，但卻是太陽系其他所有行星質(zhì)量之和的2.5倍。木星和土星是氣態(tài)巨行星，天王星和海王星則是冰巨行星。古羅馬人以宙斯神朱庇特之名來命名木星。從地球上觀測，木星是亮度僅次于月球和金星的天體。

木星主要由氫組成，但木星質(zhì)量中有25%是氦，而氦分子數(shù)只占木星分子數(shù)的大約10%。木星可能擁有由較重元素組成的巖石內(nèi)核，但與其他巨行星不同的是，木星沒有明顯的固體表面。由于自轉(zhuǎn)速度太快，木星的形狀是扁球，赤道附近有輕微但明顯可見的鼓起。木星的外層大氣明顯分化成位于不同緯度的多個條狀地帶，在它們相互作用的邊界形成渦旋和風暴，其中最著名的是大紅斑。大紅斑是一個巨型風暴云團（其直徑相當于地球直徑的2～3倍），17世紀的望遠鏡就已證實了它的存在，但它迄今為止存在了多久則不得而知。一個暗弱的行星環(huán)系統(tǒng)和一個強烈的磁層環(huán)繞著木星。木星有至少67顆衛(wèi)星，其中包括4顆較大的伽利略衛(wèi)星（它們的得名是因為它們是由意大利科學家伽利略在1610年發(fā)現(xiàn)的）。加尼美得（木衛(wèi)三）是已知最大的木衛(wèi)，它的直徑比一顆行星——水星的還大。

迄今已有多艘機器人飛行器探訪過木星，其中最著名的是早期由美國宇航局“先鋒”和“旅行者”飛行器對它的造訪，還有后來由“伽利略”軌道器對它的探測。2007年2月底，美國宇航局“新地平線”探測器造訪木星，利用木星引力提速并變軌到前往冥王星的航向?！爸熘Z”是探訪木星的最新一艘飛行器。計劃中的木星系統(tǒng)探測目標中，重點是歐羅巴（土衛(wèi)二）可能被冰層覆蓋的地下海洋。

木星：地球之母？

天文學家的一個猜想是，隨著木星摧毀早期太陽附近的超級地球，地球及其近鄰行星可能從超級地球與木星的撞擊碎片中產(chǎn)生。當木星向著內(nèi)太陽系移動時，其引力拖曳導致超級地球之間的一系列碰撞，原因是這些超級地球的軌道開始重合。天文學家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了太陽系以外近500個有多顆行星的行星系統(tǒng)。這些系統(tǒng)通常包含一些質(zhì)量是地球多倍的行星（即所謂的超級地球），它們與自己所環(huán)繞的恒星（母恒星）之間的距離比水星與太陽之間的距離還近。有時候，還有與木星質(zhì)量相仿的氣態(tài)巨行星靠近母恒星。這些行星系統(tǒng)為天文學家的上述猜想提供了依據(jù)。當木星移出內(nèi)太陽系時，可能會導致包括地球在內(nèi)的內(nèi)行星形成。

有一種比較主流的理論認為，當太陽形成后，余下的氣體和塵埃中的大多數(shù)形成了一顆氣態(tài)巨行星——木星，其余氣體和塵埃則散落到太陽系各處，最終形成其他行星，甚至創(chuàng)造了人類。因此，有科學家認為，有關(guān)太陽系起源的線索就隱藏在木星大氣層里。

木星生命？

1953年的一項實驗證明：閃電加上原始地球大氣層中存在的化合物，就可能形成包括氨基酸在內(nèi)的有機化合物，它們可能充當生命的構(gòu)建單元。模擬的原始地球大氣層中包含水、甲烷、氨和分子氫，而所有這些分子今天仍見于木星大氣層。木星大氣層有一種強烈的垂直空氣循環(huán)，可能會把這些化合物輸送到下方地區(qū)。木星大氣層內(nèi)部的高溫會分解這些化合物，阻礙類似地球生命的生命形成。

多數(shù)天文學家相信，木星上不可能存在類似地球生命的生命，這是因為木星大氣層中的水量太少，而且就算木星內(nèi)部有固態(tài)表面，那里所承受的壓力也非常巨大。不過，也有一些天文學家猜想，木星上層大氣中可能演化出基于氨或水的生命。但木星系統(tǒng)中更可能存在生命的地方，是在一些木衛(wèi)可能擁有的地下海洋中。