“長征”五年 “朱諾”進軌

□ 譚 目

“長征”五年 “朱諾”進軌

□ 譚 目

在太空中飛行了近5年的美國“朱諾”（Juno）木星探測器計劃在2016年7月4日（美國獨立日，這是精心選擇的）進入木星軌道，總飛行距離達到28.3億千米。為此，該深空探測器的主發(fā)動機持續(xù)反向點火35分鐘，使其速度減量達到542米/秒，從而確保被木星引力捕獲。進入繞木星兩極的極軌道后，大小與一個籃球場相當(dāng)?shù)摹爸熘Z”將在距離木星云層頂大約5000千米高的軌道圍繞木星運行37圈，花費大約20個月左右的時間對這顆巨型氣態(tài)行星進行全方位的考察，探測木星強大的極光現(xiàn)象，并對木星的起源、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、大氣以及磁場等相關(guān)數(shù)據(jù)進行探測，任務(wù)計劃于2018年2月結(jié)束。

“朱諾”或許能幫助人類揭開以下六大謎團：

① 木星是怎樣組成的？

② 木星上有多少水？

③ 木星表層之下是什么樣的？

④ 木星是否有巖核？

⑤ 木星的磁性來源于哪里？

⑥ 木星上的極光現(xiàn)象。

飛行歷程

美國新一代木星探測器——“朱諾”是2011年8月5日升空的。升空后一個小時內(nèi)，其上的3塊太陽能陣慢慢展開。它先圍繞太陽飛行了兩年，然后于2013年10月回到地球附近做了一次地球借力飛越，然后再用3年時間飛往木星。2013年10月13日，“朱諾”在飛越地球時傳回了第一幅地球照片，展現(xiàn)人類家園的壯觀景象。通過將地球的引力充當(dāng)彈弓，“朱諾”的速度從12.5萬千米/小時提升到14萬千米/小時，從而足以穿過小行星帶，進入木星軌道。

在“朱諾”加速通過太陽系時，有三股力量在拖拽著它，太陽、地球和木星都是有影響力的。有時，地球因為足夠接近而成了領(lǐng)先者，而在多數(shù)情況下太陽是最有影響力的。2016年6月2日，“朱諾”穿越了木星與太陽的引力邊界，即跨越了木星與太陽的引力平衡點，此后，木星位于引力驅(qū)動位置，即對“朱諾”產(chǎn)生最大影響的天體變成了木星，使得該探測器不再回頭，一路飛向它最終的目的地——木星。

2011年8月5日“朱諾”從美國佛羅里達州發(fā)射升空

隨“朱諾”升空探訪木星的3個小玩偶：羅馬神話主神朱庇特(右)、朱諾(中)和天文學(xué)家伽利略。

“朱諾”攜帶的一塊由意大利航天局提供的伽利略箴言銘牌，上面有伽利略的頭像，以及當(dāng)年伽利略觀測木星時記錄的筆記原文。

“朱諾”號的飛行路線，飛躍火星軌道后返回太陽系內(nèi)側(cè)，而后將地球的引力充當(dāng)彈弓，奔赴木星。

“朱諾”的名字來自于古希臘與古羅馬神話，傳說中的上天之神朱庇特(Jupiter，即英語中的木星)用云彩遮掩自己，隱藏自己的真容，但他的妻子——朱諾女神卻擁有神奇的力量，能夠穿透遮掩朱庇特的云霧，洞察其背后的真相。美國航空航天局選用這個名字來為這個木星探測器命名，也是希望這個深空探測器能夠撥開遮掩木星的重重迷霧，揭示其背后的真正本質(zhì)。

有趣的是，“朱諾”還攜帶3個與木星“關(guān)系匪淺”的樂高玩具升空，它們價值1.5萬美元，分別代表發(fā)現(xiàn)木星4個衛(wèi)星的意大利著名天文學(xué)家伽利略、代表羅馬神話中的天神朱庇特、朱庇特的妻子朱諾。與普通樂高積木不同，它們不是塑料，而是由鋁加工而成，確保能承受艱苦的太空旅程的同時，不會干擾“朱諾”儀器運作。據(jù)悉，美國航空航天局希望通過這個小項目，促進美國孩子對天文學(xué)的熱情。另外，此次“朱諾”還攜帶了一塊由意大利航天局提供的伽利略箴言銘牌，由環(huán)氧基樹脂牢牢粘合在“朱諾”的推進器上。

此前，美國曾用“伽利略”等探測器對木星進行研究，但“朱諾”的任務(wù)是對木星內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行調(diào)查?！爸熘Z”的軌道將穿過木星的南北磁極，這是此前深空探測器沒有抵達的地方，科學(xué)家認為這里擁有木星強磁力和高能粒子的環(huán)境，能夠收集到更多關(guān)于木星磁場和重力場、內(nèi)部環(huán)境的數(shù)據(jù)。

2015年，美國航空航天局批準了“朱諾”的任務(wù)更改計劃，將軌道周期調(diào)整為每14天一圈。軌道的調(diào)整意味著探測器要控制進入木星軌道的速度和角度，讓探測器上的計算機分配發(fā)動機點火時間。修訂后的“朱諾”任務(wù)將延長到20個月左右，科學(xué)家希望給“朱諾”更多的時間收集到木星的數(shù)據(jù)。

重任在身

“朱諾”這項探測任務(wù)共耗資11億美元，研制工作花了8年時間，是馬歇爾空間飛行中心“新疆域” (New Frontiers) 計劃的第2個探測器，第1個是“新視野” (New Horizons)冥王星探測器。“朱諾”也是繼美國1989年發(fā)射過專門探測木星的“伽利略”之后世界第2個專用木星探測器?！爸熘Z”繞木星軌道飛行37圈，隨后也將有意墜向木星，以免同木星的衛(wèi)星相撞，影響未來對木星的衛(wèi)星上生命的探測。

“朱諾”計劃用一年時間在木星大橢圓極軌道上的輻射帶內(nèi)環(huán)繞，這比此前任何一個空間探測器都要靠近木星，為的是知道這個巨大的行星有多少水，什么引發(fā)了其如此強大的磁場以及在其濃厚炙熱的空氣下有沒有一個固體內(nèi)核。

該探測器用于詳細探測這一巨型氣體行星的內(nèi)部構(gòu)造、重力場、極光、大氣結(jié)構(gòu)、磁場、是否存在水等情況；調(diào)查木星是否存在一個固體內(nèi)核；繪制木星的高強度磁場圖；測量其深層大氣中的水分和氨的成分，并對木星上的極光現(xiàn)象進行觀察；揭開木星上大量天然氣起源之謎、木星的形成和演化過程以及決定木星特性且驅(qū)動其演化的內(nèi)部、大氣和磁場之間的耦合，為了解太陽系和周圍行星系統(tǒng)的起源提供參考。“朱諾”將大大加深人類對氣態(tài)巨行星的形成以及它們對整個太陽系作用影響的理解。

“朱諾”于2016年7月4日進入木星軌道示意圖

“朱諾”主發(fā)動機點火制動，以便進入木星軌道

木星有巨厚的大氣層，在這樣的條件下氫會被壓縮成一種稱為“金屬氫”的奇異形態(tài)，它可能是木星強大磁場的來源。由于這個強大的磁場和高能粒子相互作用，產(chǎn)生了太陽系中最明亮的極光。“朱諾”能直接對這些高能粒子進行取樣，并通過紫外波段觀測木星的極光現(xiàn)象。對于這樣一顆和地球迥然不同行星極光現(xiàn)象的深入研究，將幫助人類更好地理解極光現(xiàn)象產(chǎn)生的本質(zhì)。

由于云層阻擋，科學(xué)家目前看不到木星的深處，但他們想知道木星云層中那些色彩斑斕的云帶、大紅斑、大白斑究竟向下延伸到多少深度？它們是怎么形成的？“朱諾”將進行木星全球大氣運動情況觀測，首次測量其深層氣流的運動速度，并探測各不同云層深度上的化學(xué)成分、溫度等數(shù)據(jù)。

木星形成于太陽系早期，因而能夠捕獲大量尚未散去的氣體物質(zhì)。但是至于這一過程具體是如何進行的，卻存在爭議。木星究竟是首先形成了一個原始“星子”(較小的原始行星)并借助其引力捕獲周邊物質(zhì)，還是一團不穩(wěn)定的塵埃云直接產(chǎn)生了塌縮并形成了木星？現(xiàn)在還無法分辨這兩個理論孰是孰非。如果“朱諾”能幫科學(xué)家加深對這一方面的了解，在未來也將極大地有助于了解其他行星，包括地球最初的形成模式。通過對木星的引力場和磁場的測量，“朱諾”將揭示木星的內(nèi)部構(gòu)造和測出其可能存在的固體內(nèi)核的質(zhì)量。

超鏈接：太陽系內(nèi)形成的首顆行星

這三張“朱諾”照相機拍攝的地球照片是在2013年10月9日“朱諾”近距離飛掠地球期間拍攝的。最左圖展示了南美洲南側(cè)的三分之二。在飛掠期間，當(dāng)探測器向東飛行時，智利的海岸以及安第斯山脈的雪線退行到了地球左邊緣的地方。第三張圖片展示了帶有反光（壯觀的高光區(qū)）的阿根廷海岸線，這里位于圣馬蒂亞斯灣（Golfo San Matias）北部的內(nèi)格羅河（R io Negro）??；此外還有南極洲上空的云層結(jié)構(gòu)。

科學(xué)家們相信木星是太陽形成后第一個誕生的行星，盡管其確切是如何形成的并不知道。其中一個關(guān)鍵的缺失數(shù)據(jù)就是在這個巨大的比地球繞太陽旋轉(zhuǎn)距離遠5倍的行星里面有多少水。木星像太陽一樣主要由氫和氦組成的，還有少量的其他物質(zhì)，比如氧?？茖W(xué)家們相信氧和氫在一起結(jié)合成了水，水可以由此次“朱諾”攜帶的工具之一的微波輻射計檢測。

木星是太陽系內(nèi)體積和質(zhì)量最大、自轉(zhuǎn)最快的一顆氣態(tài)行星。木星的主要成分也是氫和氦，其距離太陽平均距離超過7.7億千米，是地球與太陽距離的5倍多?？茖W(xué)家普遍認為，木星是太陽系內(nèi)形成的首顆行星。它的成分和太陽極其相似，科學(xué)家認為它是太陽系最古老的行星，在太陽形成后就已誕生，對木星的探測有可能使人類了解早期太陽系的秘密。“朱諾”項目首席科學(xué)家斯科特·博爾頓(Scott Bolton)說，通過研究木星可以追溯太陽系歷史的源頭，了解究竟是什么促使行星生成，為什么行星的成分與太陽有區(qū)別。

“朱諾”將測定木星稠密和渦動不止的大氣中水的含量。水含量較大可能意味著木星最早形成于太陽系更邊遠的位置，隨后才遷移到目前所在位置。科學(xué)家們目前還不能確定木星是有一個由重元素組成的固體內(nèi)核，還是完全由氣體構(gòu)成?！爸熘Z”將通過測量其磁場和引力場來研究這一問題。

新的亮點

“朱諾”的關(guān)鍵技術(shù)有二：其上的星象跟蹤儀需在木星嚴酷的輻射環(huán)境中工作；其上的超敏感太陽電池要盡可能多地收集太陽光。尤其是后者，“朱諾”將使用特殊的太陽能電池，它能在木星弱光和低溫的環(huán)境中工作。

與美國以往發(fā)射的“先驅(qū)者”、“旅行者”、“伽利略”、“卡西尼”等深空探測器采用同位素?zé)犭姲l(fā)生器（RTG）提供能量不同，“朱諾”由3個拖車大小的高效太陽電池翼提供電力，是首個在距地球如此之遠的宇宙空間中以太陽能作為主要能源的航天器。與核能發(fā)電相比，用太陽能為“朱諾”提供電源既經(jīng)濟又加快了研究的步伐，同時能做到環(huán)保。以前飛往火星以遠行星的空間探測器從來沒有使用過太陽能電池來供電。

“朱諾”是迄今人類發(fā)射的依靠太陽能驅(qū)動、預(yù)計飛行距離最遠的空間探測器。木星距太陽的距離比地球遠約6.44億千米，那里的光照強度只有地球的1/25，那么為何采用太陽電池翼供電呢？其主要原因如下：

一是其太陽電池翼尺寸龐大：長8.9米，寬2.7米，共使用18698片太陽能電池，可提供14千瓦的電力，但進入木星軌道后，提供的電力僅為400瓦，只能點亮少量電燈泡。而在地球的軌道上，這些太陽能電池的發(fā)電量要比在木星高出35倍。因此，“朱諾”上的科學(xué)儀器和機載計算機均高度節(jié)能，同時研究團隊還為“朱諾”精心設(shè)計了環(huán)繞木星運行的軌道，使其盡可能多地接收陽光。

“朱諾”展開太陽電池翼

二是從發(fā)射到任務(wù)末期，“朱諾”能夠持續(xù)獲得陽光的照射，僅在地球飛越的10分鐘期間無陽光照射。

三是其太陽電池翼的效率要比之前空間任務(wù)采用的硅太陽電池高50%。當(dāng)“朱諾”快到達木星時，在以每分鐘幾圈的速度穩(wěn)定運轉(zhuǎn)后，每繞木星1圈（14天），科學(xué)儀器僅需要全功率運行6個小時。

“朱諾”運行在高傾角橢圓木星極軌道

由于“朱諾”可持續(xù)處于太陽照射之下，所以幾乎無須進行太陽偏離機動。它在木星軌道可使其太陽電池產(chǎn)生最大功率，并維持穩(wěn)定的熱狀態(tài)。在無太陽照射期間，由2個鋰離子蓄電池提供機動電能。

因為木星以及衛(wèi)星附近具有強大的高能粒子場，輻射強度超過除了太陽以外任何有人類探測器到達過的地方，輻射帶由木星赤道開始，穿過木衛(wèi)二——歐羅巴，向外拓展650000千米。所以，包括太陽電池翼在內(nèi)的“朱諾”上各種外設(shè)和內(nèi)設(shè)，都做了各種屏蔽輻射的處理，以承受強烈的X射線的照射。

為了保護敏感的航天器電子設(shè)備，“朱諾”首次攜帶電子箱，它具備在高輻射環(huán)境下持續(xù)工作的性能，可滿足地球軌道以遠強輻射空間環(huán)境的防護需求。對輻射敏感的部件被裝在電子箱內(nèi)部，具有高熱擴散性的部件裝在電子箱側(cè)板外。

噴氣推進實驗室“朱諾”探測器輻射控制室主任認為：木星的輻射將極大限制探測器的使用范圍以及壽命，特別是該探測器中央控制系統(tǒng)輻射屏蔽措施的有效性將在很大程度上決定該任務(wù)的成敗。為了減少輻射影響，所以太陽能是最適合“朱諾”的功率供給形式。

當(dāng)然，“朱諾”并不是只靠防輻射罩來減少輻射的影響，其特定的繞木軌道使它經(jīng)過木星的極區(qū)，從而可減少與環(huán)木星赤道輻射帶的接觸時間。同時也使用了已經(jīng)運用于火星輻射環(huán)境的抗輻射措施，當(dāng)然，火星的輻射環(huán)境雖然比地球來得嚴峻，但是沒有木星那么殘酷，借鑒火星抗輻射環(huán)境上的技術(shù)，有助于加強探測器防輻射的技術(shù)成熟度。

噴氣推進實驗室在測試防輻射罩時模擬了真實的木星輻射環(huán)境，確保原有的設(shè)計能符合空間飛行條件以及木星的軌道環(huán)境。另外，“朱諾”上的防輻射裝置都經(jīng)過鈷元素的伽馬射線測試，從而為“朱諾”提供更為可靠的防輻射措施。

超鏈接：烈火焚身的“伽利略”號探測器

伽利略木星探測器為我們呈現(xiàn)了木星及其衛(wèi)星系統(tǒng)的真實一面，1995年進入木星軌道，2003年受控墜毀在木星上。

世界第一個木星探測器“伽利略”環(huán)繞木星飛行了34圈，對木星的大氣層進行了測量，還發(fā)現(xiàn)了木星衛(wèi)星地下液態(tài)鹽水的存在證據(jù)，并觀測到木星衛(wèi)星上大規(guī)模的火山爆發(fā)等，獲得了大量有關(guān)木星的探測數(shù)據(jù)，最后于2003年9月按程序墜毀在木星上。正是它第一個拍到了木星衛(wèi)星歐羅巴有海洋的照片，這讓地球生命看到了外星生命的希望，因此決定了它最終悲壯焚身的命運！“伽利略”項目負責(zé)人克勞迪婭說，讓“伽利略”號探測器烈火焚身是件正確的事，因為歐羅巴的環(huán)境太珍貴太值得我們地球人保護了，而且歐羅巴的海洋一定會成為未來人類太空探索最聚焦的星球，因為，那里可能存在有地球生命的伙伴--外星生命！

探測儀器

為了探測木星，“朱諾”攜帶了紫外線光譜儀（UVS）、磁通脈沖磁力儀（FGM）、極光分布試驗裝置（JADE）、高能粒子探測儀（JEDI）、無線電和等離子體波試驗裝置（WAVES）等共9臺科學(xué)探測儀器。

紫外線光譜儀主要由一個特定光學(xué)組件和一個電子箱這2個獨立組件組成，其中電子箱安裝在“朱諾”防輻射罩內(nèi)。該儀器能在78～172納米的電磁波頻譜內(nèi)對木星極光進行拍照和測量，可用來描述木星形態(tài)和研究木星極光噴射資源。

極光分布試驗裝置可測量包括電子的偏航角分布、離子組成和離子空間速度的三維空間分布。除了前置放大器，其他電子裝備都由位于防輻射罩下的特定電子箱提供，可用于測量低能量電子和離子，從而研究磁氣圈兩級和木星極光。

微波輻射計(MWR)包括6個天線和接收器，除天線和供應(yīng)線外，所有的組件都位于防輻射罩內(nèi)。它從600MHz、1.2GHz、2.4GHz、4.8GHz、9.6GHz和22GHz共6個頻率進行測量，可用于探測木星的大氣深度和測量一系列高度的熱輻射，從而了解木星大氣的動力學(xué)機制和化學(xué)組成，確定木星的全球水資源。

“朱諾”有效載荷系統(tǒng)

高能粒子探測儀上的敏感器分別呈12×160°散開，可對離子和電子分別從6個視角進行觀測。兩個敏感器單元從垂直航天器旋轉(zhuǎn)軸方向?qū)咏拘沁^程中各個位置的偏航角進行360°快照，第三個敏感器單元沿著航天器旋轉(zhuǎn)軸方向進行觀測，獲取一個完整旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)的全部天空（旋轉(zhuǎn)周期約為30秒）。它主要測量電子和離子的能量，從而研究磁氣圈兩級和木星極光。

無線電和等離子體波試驗裝置包括一個測量電場的偶極天線和一個磁場探測線圈，安裝在防輻射罩內(nèi)。它在掃描期間有兩個頻率模式，捕獲波形時有一個觸發(fā)模式。它測量在木星磁氣圈兩極的原地等離子體波和無線電波。

磁強計由磁通門磁力計、標(biāo)準氦磁力計和高級恒星羅盤（ASC）組成。所有的敏感器都安裝在位于太陽電池翼端部的磁強計吊桿上。通過內(nèi)外的一個磁場測量，可以過濾掉衛(wèi)星自身的磁場影響。所有的磁強計電子元件都安裝在飛行系統(tǒng)的防輻射罩下方。它將用于繪制首張詳細的木星磁場圖，并考察木星磁場在其兩極地區(qū)的分布狀況，對于木星磁場的考察將極大地幫助科學(xué)家們了解木星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息。

可見光相機（JunoCam）主要由光學(xué)頭、探測器和前端電子器件的相機頭，以及圖像數(shù)據(jù)緩沖器和直流電-直流電轉(zhuǎn)換器的電子箱組成（都安裝在防輻射罩內(nèi)），它用來獲得木星兩極地區(qū)的高分辨率全景圖像，拍攝木星云頂彩色圖像，這將有助于進行目視觀察，選定觀測目標(biāo)以及對公眾發(fā)布精美的木星圖像。

木星紅外極光繪圖儀（JIRAM）是一個紅外光譜儀和成像儀，主要通過微波輻射計（MWR）和磁力配套試驗裝置（極光分布試驗裝置、高能粒子探測儀、紫外線光譜儀和磁強計）實現(xiàn)。其光學(xué)頭和電子器件可適應(yīng)防輻射罩之外的環(huán)境。它主要獲取木星的高分辨率圖像，研究2.0～5.0微米范圍內(nèi)的大氣光譜，對木星上層大氣進行紅外和分光分析，提供木星極光和大氣動態(tài)信息，這同樣將有助于科學(xué)家們了解木星大氣的結(jié)構(gòu)情況。

先進恒星導(dǎo)航儀(ASC)將幫助進行繪圖工作，并幫助“朱諾”探測器在茫茫太空中保持準確的姿態(tài)指向。

“朱諾”還將使用其通信設(shè)備考察木星的重力場，這是其“重力科學(xué)實驗”項目的一部分。通過發(fā)射信號回地球并觀察其多普勒效應(yīng)，科學(xué)家們將能夠考察木星重力場對信號的影響。

超鏈接：揭開朱庇特的神秘

美國加州理工和J PL的天文學(xué)家觀測木星冰衛(wèi)星歐羅巴表面發(fā)射出的光譜，強有力的證據(jù)顯示，歐羅巴表面下巨大液態(tài)海洋中的鹽水噴出表面，意味著這是一個富化學(xué)環(huán)境，增加了歐羅巴海洋存在生命的可能性。歐羅巴表面下的海洋被認為覆蓋了整個星球，位于薄冰殼下，有100千米厚。

木星質(zhì)量相當(dāng)于318個地球，體積更是地球的1300倍以上。木星距離太陽比地球遠5倍，每4331個地球日(約合11.86年)圍繞太陽公轉(zhuǎn)一圈。作為一顆氣態(tài)行星，木星由約88～92%的氫和約8～12%的氦組成，還有極微量的其他氣體，包括甲烷和氨。木星最大的衛(wèi)星是4顆伽利略衛(wèi)星，它們都是在1609年或1610年間由意大利天文學(xué)家伽利略首先發(fā)現(xiàn)的。這是人類首次發(fā)現(xiàn)除地球之外有一個天體圍繞另一個天體運行。木星本身擁有絢麗的云帶，其中含有結(jié)晶態(tài)的氨，其大氣中的風(fēng)速高達每秒100米。而木星大氣中最廣為人知的當(dāng)然就屬大紅斑了。人們已經(jīng)觀測這個巨大的氣旋長達180年，它卻從未消退過。

至今已經(jīng)有多個空間探測器飛向或接近了木星及其衛(wèi)星，包括先驅(qū)者10號、11號、旅行者1號、2號、“伽利略”、“尤利西斯”、“新視野”空間探測器，其中“伽利略” 是真正意義上的第一個木星探測器，其他是順道觀測，走馬觀花。美國航空航天局寄希望借助“朱諾”上最新的儀器揭開木星云層覆蓋下的秘密，進一步研究木星的起源和進化。美國航空航天局為“朱諾”木星探測項目制定的口號為“揭開朱庇特的神秘”。

（責(zé)任編輯 張恩紅）