“朱諾”號(hào)如何探測木星？

松園

經(jīng)過5年的漫長飛行，“朱諾”號(hào)木星探測器終于在7月4日進(jìn)入木星軌道，但“朱諾”號(hào)上的科學(xué)儀器并未啟動(dòng)，這時(shí)的軌道很大，每53天繞木星一周。到8月下旬，“朱諾”號(hào)啟動(dòng)攜帶的科學(xué)儀器開始近距離探測木星。到10月，“朱諾”號(hào)將進(jìn)入一個(gè)每14天繞木星一周的穩(wěn)定軌道，然后從事長達(dá)一年半的木星探測。那么，“朱諾”號(hào)將如何探測木星呢？與此前的探測器相比，“朱諾”號(hào)又有哪些非凡之處呢？

木星云下的秘密

木星被稱為“朱庇特”，在羅馬神話中是“眾神之王”的意思。木星當(dāng)之無愧是太陽系行星家族中最有影響力的“王者”：木星的質(zhì)量是太陽系所有行星質(zhì)量總和的2.5倍以上，它可能將很多小行星和彗星帶到了太陽系，為地球帶來了水，也可能搶奪了不少原本屬于火星的物質(zhì)，還可能把天王星和海王星擠到了太陽系的外側(cè)。木星還是一個(gè)巨大的“時(shí)間膠囊”，其氣體物質(zhì)記錄了40多億年前行星形成時(shí)太陽系的環(huán)境。

人類研究木星的歷史已超過4個(gè)世紀(jì)，已有8艘探測器先后造訪過它，然而，木星厚重的氣體云隱藏了它的內(nèi)部信息，所以有關(guān)行星形成的一些最需要了解的秘密現(xiàn)在依然不得而知?！爸熘Z”號(hào)木星探測器正是為改變這種狀態(tài)而飛向木星的。假若一切順利，“朱諾”號(hào)將測量木星云下隱藏著多少水，將繪制木星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，還將完成人類首次對木星極區(qū)的觀測。

多數(shù)科學(xué)家都是用望遠(yuǎn)鏡和探測器研究木星表面的云層以了解木星，所以對木星的內(nèi)部并不十分清楚?？赡芩幸粋€(gè)固體的核，作為行星成長的“種子”，在核的外圍可能有一個(gè)液態(tài)的氫海，一并組成一個(gè)龐大的導(dǎo)電體，制造了木星影響廣泛的磁場。人們猜想，在木星的云層下會(huì)存在豐富的水蒸氣。這些問題都是“朱諾”號(hào)要研究和發(fā)現(xiàn)的。

來自這艘新探測器的研究數(shù)據(jù)還將幫助人們了解46億年前木星是如何形成的?？茖W(xué)家認(rèn)為，木星形成時(shí)吸收了周圍的氣體，并使之形成了今天的木星；木星還可以看作是一種材料的樣本，這種材料在太陽誕生時(shí)就圍繞在太陽周圍，然后，它們儲(chǔ)存在了大大小小的“倉庫”里，這些“倉庫”就是圍繞著太陽運(yùn)行的行星。

在行星形成的過程中，水起了關(guān)鍵性的作用。探測木星氣體中的水可以讓我們知道木星是在太陽系的什么地方形成的，還可以告訴我們早期太陽系的環(huán)境是怎樣的。在太陽系里，巨大的行星形成于離太陽很遠(yuǎn)的地方，那里溫度很低，水凝結(jié)成冰，大量的固體顆粒也存在于那里，所以木星開始的時(shí)候可能是一個(gè)由巖石和水冰組成的球，質(zhì)量是地球的好幾倍。這個(gè)球可能吸引了附近大量的氫和氦，于是形成了一顆巨大的行星。

“伽利略”號(hào)木星探測器曾試圖確定木星大氣中水的含量，它靠近木星釋放了一枚子探測器以探測大氣中的溫度、壓力和化學(xué)組成。這枚子探測器進(jìn)入木星大氣的深度超出了科學(xué)家們的預(yù)期，然而它下落的位置很不理想，恰巧進(jìn)入到一個(gè)被科學(xué)家稱為“熱點(diǎn)”的地方，相當(dāng)于木星上的“撒哈拉沙漠”。 那里十分干燥，當(dāng)這枚子探測器運(yùn)行到有木星水存在的地方時(shí)，它已停止了傳送數(shù)據(jù)。

科學(xué)家認(rèn)為，如果再試一次，在一次太空任務(wù)中在木星的四周釋放多個(gè)探測器，那么它們或許可以進(jìn)入到更深的地方，了解到更多的未知。這促成了“朱諾”號(hào)木星探測計(jì)劃的形成。

奇異的繞木軌道

從木星誕生之日起，它就一直在冷卻。在冷卻的過程中，木星也在釋放微波能，而水則擅長在特殊頻率下吸收微波能?！爸熘Z”號(hào)多次繞木星飛行，在這個(gè)過程中，它將記錄在不同頻率下微波的強(qiáng)度，從而讓科學(xué)家們推算出木星云下隱藏著多少水。

然而，僅僅探測水并不能回答有關(guān)木星誕生的所有問題，科學(xué)家還需要知道，木星是否擁有一個(gè)固體的核。一種觀點(diǎn)認(rèn)為，一顆巨大的行星要形成，它首先需要一個(gè)由巖石和冰組成的“種子”，然后在“種子”的吸引下形成膨脹的大氣；另一種觀點(diǎn)認(rèn)為，它們是先有一團(tuán)由氫和氦組成的氣體，然后在自身重力的作用下坍塌成氣體行星，這種情況并不需要固體的核?！爸熘Z”號(hào)要終結(jié)這兩種觀點(diǎn)的爭論，當(dāng)它圍繞木星運(yùn)行時(shí)，速度會(huì)時(shí)快時(shí)慢，這是木星引力的大小變化所引起的。通過追蹤“朱諾”號(hào)的速度變化，科學(xué)家們能算出木星內(nèi)部質(zhì)量的分布情況，這將告訴人們木星的內(nèi)部是否真的有一個(gè)密集的核。

和其他早期環(huán)繞過木星飛行的探測器相比，“朱諾”號(hào)有一個(gè)優(yōu)勢，那就是它的飛行軌道更靠近木星并且和木星赤道相垂直，這將使它能掃描木星從低緯到高緯的所有地區(qū)，包括南北兩極。此前的“伽利略”號(hào)只能和木星保持相當(dāng)距離，并且從未遠(yuǎn)離木星的赤道，而“朱諾”號(hào)則可以全面了解這個(gè)星球的內(nèi)部情況。

木星有高能輻射帶，那里的帶電粒子環(huán)繞著木星，它們對探測器上的儀器會(huì)產(chǎn)生不良影響。為了解決這個(gè)問題，“朱諾”號(hào)上的儀器都封閉在一個(gè)重200千克的鈦制穹頂狀保護(hù)裝置中，探測器和外部世界的聯(lián)系只能通過沉重的屏蔽電纜完成。

“朱諾”號(hào)攜帶有照相機(jī)、分光計(jì)、磁力計(jì)以及一些探測等離子體、宇宙微粒的儀器，當(dāng)然，它還擁有一個(gè)微波傳感器和一架天線?？茖W(xué)家的計(jì)劃是讓這艘探測器靠近木星，然后迅速離開，如此不斷地重復(fù)。每一次繞木飛行，它大部分時(shí)間都離木星較遠(yuǎn)，以遠(yuǎn)離輻射的威脅。

木星探索，任重道遠(yuǎn)

木星的自轉(zhuǎn)軸和它的運(yùn)行軌道是垂直的，這意味著它的兩極從地球上幾乎看不到。以前絕大多數(shù)訪問過木星的探測器都靠近赤道運(yùn)行。1974年，“先驅(qū)者”11號(hào)在離開木星前往土星時(shí)，為木星照了一個(gè)模糊的北極快照。到了1992年，太陽探測器“尤利西斯”號(hào)在前往太陽的途中飛越了木星的兩極，然而“尤利西斯”號(hào)沒有攜帶照相機(jī)，雖然它靠近木星的距離和“朱諾”號(hào)相差無幾，但它一無所獲。

此次，“朱諾”號(hào)將使科學(xué)家們得以近距離地觀察木星極光，這種極光和地球上的極光相同，但亮度比地球上的極光強(qiáng)1000倍。極光來自太陽風(fēng)和行星磁場的相互作用，所以木星的極光將為科學(xué)家們提供一個(gè)考察行星磁場的途徑。

“卡西尼”號(hào)土星探測器曾于2004年從土星發(fā)回?cái)?shù)據(jù)，通過這些豐富的數(shù)據(jù)，人們發(fā)現(xiàn)了很多令人驚訝的現(xiàn)象，比如在土星的極區(qū)存在很像颶風(fēng)的氣旋，它的中心像一個(gè)正在放水的排水孔。這暗示在木星的極區(qū)，可能也有很多新奇的現(xiàn)象等待著人們?nèi)グl(fā)現(xiàn)?？茖W(xué)家很想知道，存在于土星極區(qū)的現(xiàn)象究竟為土星所特有，還是巨行星上的普遍現(xiàn)象？

“朱諾”號(hào)沒有像“伽利略”號(hào)那樣使用核能，而是依靠3個(gè)10米長的太陽能電池板滿足探測活動(dòng)中對電能的需求，這在人類的木星探測活動(dòng)中是史無前例的。到2018年2月，也就是抵達(dá)木星一年半以后，“朱諾”號(hào)將扎進(jìn)木星大氣中結(jié)束使命，這樣的方式同“伽利略”號(hào)結(jié)束使命的方式是一樣的。科學(xué)家不想讓“朱諾”號(hào)撞上木星的冰衛(wèi)星，如木衛(wèi)二等，因?yàn)槟抢锏牡叵潞Ｑ笾杏锌赡艽嬖谏?，外來的“朱諾”號(hào)可能會(huì)污染那里的地外生命系統(tǒng)。

木衛(wèi)二是木星任務(wù)的下一個(gè)目標(biāo)。2020年左右，美國國家航空航天局將發(fā)射另一艘飛往木星系統(tǒng)的太空船，它將反復(fù)地飛掠有冰凍外殼的木衛(wèi)二；而歐空局的“木星冰月探測器”也計(jì)劃于2022年發(fā)射并將于2030年抵達(dá)木星?！澳拘潜绿綔y器”將研究木星系統(tǒng)中所有有可能存在生命的衛(wèi)星，它還將最終進(jìn)入木衛(wèi)三的環(huán)繞軌道，這顆衛(wèi)星是太陽系中最大的衛(wèi)星。

對木星的探測將不僅僅有助于回答有關(guān)巨行星的諸多問題，還有助于了解地球生命的起源。當(dāng)“伽利略”號(hào)的子探測器進(jìn)入到木星大氣中后，它發(fā)現(xiàn)那里有豐富的生命元素，如碳和氮等。這類元素是生命組成的關(guān)鍵部分。在早期的太陽系中，這些封存于行星中的生命元素究竟經(jīng)歷了什么？“朱諾”號(hào)的一些發(fā)現(xiàn)將能幫助人們解開這個(gè)疑問。

【責(zé)任編輯】龐 云