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“朱诺”：开启木星探秘之旅
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Ben Evans 文 Shea 编译 |
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虽然已有8个探测木星的空间任务，但科学家们对于它的起源和演化仍然知之甚少。美国宇航局的朱诺探测器旨在改变这一状况。 在罗马神话中，朱诺是天神朱庇特的妻子。朱庇特总是在凡间沾花惹草、制造事端，而朱诺拥有不可思议的能力，能够看穿朱庇特用来隐匿其劣迹的云层。 当太阳系中最大的行星木星（英文名：朱庇特）在2016年的夏天迎来朱诺探测器时，这两个欢喜冤家终于碰头了。“朱诺”将探测木星的成分、引力场、磁场以及其深处的风，它还会设法了解木星的过往。  在过去的5年中，“朱诺”飞行了28亿千米，从地球来到了木星。发射于2011年8月5日，“朱诺”选择了一条漫长的迂回路线。最初的轨道把它送到了火星轨道之外，2012年夏在那里它的主引擎2次点火，使得它重新飞向地球，在2013年10月9日与地球交会。在飞掠地球的过程中，“朱诺”从地球身上“窃取”取了一丁点的轨道能量，这让它获得了前往木星所需的每小时14 200千米的速度。 2016年7月4日，“朱诺”以超过每小时265 000千米的速度一头扎入木星系统，这是人造物体最高的运动速度。此后它的引擎点火30分钟，在减速刹车的过程中它会从木星和它致命辐射带之间的缝隙穿过。这一机动过程使得它进入了一条周期为53.5天的捕获轨道。在主任务阶段开始之前，它会近距离飞过木星，在此期间科学家们会对其搭载的仪器进行测试。  进入科学轨道 2016年10月，科学家会把“朱诺”的这条捕获轨道变为一条大椭圆的科学探测轨道。由此，在距离木星最近的地方，它到木星云层顶的距离会在5 000千米之内；在距离木星最远的地方，它到木星最外层的大型卫星木卫四的距离可以超过188万千米。科学家们一开始把这条轨道的周期设定为11天，但后来后调整为14天。更长的轨道周期使得“朱诺”可以在其第8轨时就完成对木星磁场和引力场的初步全局探测，远远早于原先的计划。这条新的轨道也把“朱诺”的工作寿命从15个月延长至20个月，并使得其环绕木星的总次数增至37次。 更长的科学轨道可以给予科学小组更多的时间来应对意外的情况。虽然有模型可以告诉科学家们将会发生什么，但事实是“朱诺”会沉浸在木星强大而多变的磁场和辐射带中，它也会比以往任何的航天器更加得靠近木星。“朱诺”所要经受的也许会有别于模型的预言，这也正是太空探索最精彩的地方。 于是，就“朱诺”而言，对强辐射的防护至关重要。它的许多电子器件都包含有耐辐射的钽，连接线则被铜和不锈钢包裹，外面还有一个重180千克、1厘米厚的钛质屏蔽罩。“朱诺”基本上就是一辆开往木星的装甲坦克。如果没有了防护罩，“朱诺”的控制中枢会在第一次靠近木星时即被烧毁。 在其工作寿命内，“朱诺”将会受到相当于1亿次牙科X射线的剂量。虽然这一辐射量并没有超过其前任——从1995年12月到2003年9月在赤道上环绕木星的伽利略探测器——所承受的辐射水平，但辐射环境仍十分恶劣：“朱诺”的可见光相机可能撑不过第8轨，而它的微波辐射计则兴许能工作到第11轨。  关注云层 尽管如此，在“朱诺”任务的早期阶段，其相机将会发挥举足轻重的作用。其58°的视场将能呈现出木星云层顶的全景，包括很多此前一直不为人知的木星南北极的区域。“朱诺”的大椭圆轨道使得它在距离木星最近的地方可以获得高达每像素3千米的分辨率，优于此前任何的探测器。 “朱诺”相机也让公众有机会直接参与此项任务。对于拍摄图像的区域，需要事先进行筛选。为此，“朱诺”的团队向天文爱好者寻求帮助，请他们提供自己望远镜拍摄的照片。科学家们希望借此可以发现木星云带和漩涡的动态变化，探测木星大气层的构成。 在两次近距离飞越木星的间隙——此时“朱诺”会远离木星，它的相机就可以用来拍摄其他的目标——在线讨论将科学家们来决定拍摄哪些目标。“朱诺”的科学家们非常希望能得到天文爱好者的帮助，事实上这个过程在“朱诺”于2013年飞掠地球期间就发挥了很好的作用。 “朱诺”相机只是“朱诺”所携带的9台科学仪器之一。这些科学设备的能源都来自3块长8.9米的太阳能阵列——这是第一次在如此远离太阳的地方使用类似的阵列。它们总共能产出不超过500瓦的电力——这绝非易事，毕竟在木星那里太阳的亮度只有在地球处的4%。这个数字大约是一个普通吹风机额定功率的约三分之一。 这些科学仪器将会用来实现“朱诺”的核心目标：探测木星深层内部及其核心的性质，了解木星上水和氨全球性分布，勘测其深处的风——其风速可以高达每小时618千米，研究其内部磁场、磁层和强劲极光的起源。 和太阳类似，多彩的木星主要由氢和氦构成，表明它是在太阳系演化的早期通过吸积太阳形成后所遗留下的大量物质而诞生的。木星是太阳系中巨行星的原型。不同于地球，木星的巨大质量使得能够维系住其原始的成分，为追踪太阳系的历史提供了一条途径。木星是如何形成的——是通过一个大质量核心吸积大量气体而成，还是在太阳星云中的一个不稳定区域通过坍缩而成——至今仍不明朗。  强大的磁场 然而，目前清楚的是，木星的内部磁场有别于太阳系中任何其他的行星。木星磁场的强度是地球的数千倍，它能够在由带电粒子构成的太阳风中凿刻出一个巨大的空腔。 20世纪50年代地面上的射电观测最早发现了木星的磁场，但是直到“先驱者”10号于1973年12月飞掠木星时，科学家们才有机会对其进行实地测量。该探测器发现，木星磁场凿出的空腔朝太阳方向延伸出了近800万千米，由此天文学家猜测在相反的方向上木星可能拥有一条巨大的“磁尾”。木星磁层的辐射非常剧烈，“先驱者”10号和11号——后者于1年后飞掠木星——上的电子器件受到相当于人类致死剂量1 000倍的辐射，并且发生了多次电路故障。 1979年，“旅行者”1号和2证实了木星磁尾的存在，发现它呈蝌蚪状向后方延伸，至少可以抵达约6.5亿千米之外的土星轨道处。后续的探测任务则细化了对木星磁场的知识。1992年尤利西斯探测对木星磁层的极区进行了短暂地探测，伽利略探测器则在其任务期间对磁层的赤道面进行了测量，2007年新视野探测器横向穿过了木星磁尾超过1.6亿千米。尽管已经了解了这些，但木星磁层的动力学机制依然是个谜，而“朱诺”——迄今唯一一个轨道会从木星两极上方穿过的探测器——将首次对其磁场进行全局性的勘测。 对木星巨大磁层的勘测是少数几条能够了解木星深处——包括磁场的起源和核心的性质——的途径之一。木星的强大引力可以紧实地压缩其大气，使得绝大多数的探测技术变得形同虚设。 “朱诺”上的2个磁力计——位于其一个太阳能阵列末端的吊杆上，相距约2米——将以每秒60次的频率对磁场进行测量。每一个磁力计都与另一个相互备份，以防任何一台失灵，同时也能以此识别出探测器本身可能产生的干扰磁场。 磁力计实验有三个目标：精确勘测木星的磁场，确定木星内部的动力学过程，测量木星两极上方磁层的三维结构。这其中时间至关重要，因为主要的科学观测都集中在飞过近木点期间的6个小时之内。“朱诺”的高精度测量结果将会帮助科学家推测出在木星核心处磁场的样子，而那里正是木星磁场的发源地。  深入木星 科学家们希望这些观测能够进一步完善对木星核心质量和半径的约束，而木星是否真有一个核心仍然有争议。许多行星形成模型需要一个质量足够大的岩质或冰质核心——质量达到地球的12～45倍——来吸积木星所拥有的大量氢和氦。但是，目前精度不高的引力测量显示其结果与没有核心的情况也是相容的。 探测木星深藏不露的内部一直是极其困难的。此前科学家们手上最好的数据来自“伽利略“，它于1995年12月向木星大气中投下了一个探测器。在被挤压破碎之前，该探测器一直下降到了木星云层顶下方约150千米处，那里是由普通氢分子占主导的区域。“朱诺”的微波辐射计将能够确定“伽利略”所发现的木星大气环流能向下延伸多远。它还会分析木星深至350千米处的内部温度变化，那里的气压可以达到200巴，大约是地球表面大气压的200倍。这将使科学家们能构建出木星内部结构的三维图像。 虽然“朱诺”任务的工程师预计，辐射计的寿命大概只能持续到第11轨，但它还有另一个重要的角色——研究木星氨和水的含量和分布。“伽利略”拍摄到了木星上的氨云，但却发现木星上的水是出奇得难以捉摸。科学家们只在很小的区域中探测到了少量的水。 天文学家已经知道，木星上富含氢和氧。通过测定氧和氢的比例并且测量有多少水存在，“朱诺”可以为木星是如何演化的提供线索。仿佛就如同在神话中的那样，“朱诺”可以穿透木星的云层，直击木星的组成，寻找木星上水的蛛丝马迹。 再往下，情况会变得愈加恶劣。高达400万巴的气压和极端的高温会剥离掉分子氢的电子，迫使其进入导电状态，被称为液态金属氢。虽然科学家们已经在实验室里短暂地制造出了少量的这些特殊物质，但行星科学家认为木星有一个由这些物质所构成的巨大壳层。正是在这个导电的壳层中，木星产生了它的磁场。 木星的引力也将有助于解开它的一些“核心机密”。通过仔细分析“朱诺”所发回的无线电信号，分离出其中探测器运动轨迹的偏差，科学家们就能由此推断出木星引力的改变，进而反演出其物质分布的变化。“朱诺”对木星引力场和磁场的高精度测量将使得我们了解木星深处正在发生的物理过程。这些以及其他的测量将会告诉我们木星是由什么所组成的以及这些成分是如何分布的，木星是如何形成以及如何演变的，这些都是占据着太阳系历史的核心问题。  动人的极光 回到木星云层顶附近，它的磁场能产生强大的极光，强度是地球的数千倍。旅行者1号第一个探测到了这一极光活动，发现它所覆盖的面积比地球的还大。观测表明，来自木星有火山活动的卫星木卫一的物质沿着磁力线流入了木星大气，帮助触发了极光。“伽利略”探测到了双向电子束，它们向木星大气注入了十亿瓦的能量。从地球轨道上，哈勃空间望远镜发现极光位于木星表面数百千米之上，而钱德拉X射线天文台则观测到了木星极光的X射线辐射。 “朱诺”的探测能力和独特的轨道无疑将会为这些现象提供新的认识。“朱诺”上木星极光分布实验的传感器将探测相对较低能量电子和离子的角分布、能量和成分。与之相配合的是木星高能粒子探测器，它会测量能量更高的氢、氦、氧和硫粒子的能量和分布，专注于是什么把它们加速到如此高的速度。 “朱诺”的紫外成像摄谱仪将会观测木星极区白天和夜晚两侧磁层的极光辐射，而它的波传感器则会测量极光区域的无线电和等离子辐射。最后，木星极光红外探测器会研究木星极光的动态变化，探测木星云层顶下方50～70千米深处水和氨的丰度。 对于“朱诺”来说，时间进度与科学任务同等得重要。由于暴露在强辐射之下，其硬件发生故障的风险极高。此外，“朱诺”的轨道将会飞掠木卫二、木卫三和木卫四，所有这些卫星可能都拥有地下水体，过去甚至现在存在有微生物。到2018年初任务结束之时，“朱诺”会飞入木星大气层，葬身于那里。这可以避免它与这些卫星发生碰撞进而其有毒的推进剂和碎片污染当地潜在海洋的可能。  “朱诺”短暂的一生承接着对木星长达40年的空间探测和历经4个世纪的望远镜观测。它携带了一小块铝牌，以此来纪念发现了木星4颗大型卫星的伽利略。这块纪念牌上刻有伽利略的自画像，以及他在1610年亲笔写下的对木星卫星观测的一段描述。 此外，“朱诺”上还携带有3个铝制乐高玩偶。一个是伽利略，他左手拿望远镜，右手拿木星仪。另外两个分别是手持闪电的罗马天神朱庇特和他永远保持警惕的妻子朱诺；朱诺手拿放大镜，用来解开她丈夫的秘密。在从今往后短短几个月的时间，“朱诺”也会取得相同的成就。 |
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[Astronomy 2016年08月]
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2001-2016 火流星工作组制作
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