木星近照

2007年2月28日，“新視野”飛船從木星近旁飛過，最接近木星時它距離木星僅為223 萬千米。“新視野”是由美國宇航局發射的，它肩負兩項使命：一是借助木星的強大引力進行引力援助（見相關鏈接“引力援助”）試驗，以便對今后去冥王星的飛行軌道進行調整；二是通過對木星的試驗性觀測，檢驗和校正飛船上的儀器，為2015 年探測冥王星及其衛星卡戎做好準備。

在太陽系的八大行星中，無輪是體積還是質量，木星都稱得上“老大”。木星的直徑是地球的11.2倍，質量與318個地球相當。木星還是太陽系行星隊伍里自轉最快的一顆，每9 小時56.5 分自轉1圈。

木星不僅體積和質量在太陽系中首屈一指，其周圍的衛星和環也頗有名。1610 年，伽利略用自制的小望遠鏡觀測木星時，一下子在它周圍發現了4 顆衛星，這就是有名的“伽利略衛星”。伽利略衛星的發現不僅為哥白尼的日心學說提供了重要證據，而且還為今天研究太陽系的起源和演化帶來了寶貴樣品。人們都知道，土星周圍有美麗的光環，這是大自然創造的藝術珍品。其實，這樣的藝術珍品在木星周圍也有。木星環雖不及土星環那樣精美，那樣楚楚動人，但它蘊含的科學信息對于我們研究太陽系天體是彌足珍貴的。

為了完成本文開頭提到的兩項任務，只有鋼琴大小的“新視野”飛船在接近木星的前后幾周內，啟用7 架照相機和傳感器瞄準木星及其4 顆“伽利略衛星”，進行了將近700 次觀測，取得了大量的觀測資料并陸續發回地球。從傳回的資料看，“新視野”飛船在木星附近所進行的試驗是成功的，實驗儀器和工作軟件是良好的，它們應該能夠很好地完成將來探測冥王星及其衛星卡戎的任務。

下面的一組精美照片是“新視野”飛船在接近木星時拍攝的，它們為研究木星系統提供了一批新資料，例如在木星高空云中發現了一些有趣的、以前未曾見過的現象。

最清晰的木星環

“新視野”飛船在2007 年2 月28 日最接近木星時，大視場勘測攝像儀快速拍下了炭黑色木星環照片（上圖）。上圖清晰地顯示出3 條像跑道一樣的環，環的大部分由從沙礫到礫石大小的物質和環與環之間的少量物質構成。下圖是“新視野”飛船在最接近木星之后，回頭對準太陽方向拍攝的木星環。拍照時，相機聚焦得很好，照片模糊不是聚焦的問題，而是陽光照亮了覆蓋在環上的塵埃粒子云所致，就像汽車擋風玻璃上的灰塵在陽光照耀下發亮一樣。軌道上有些小“牧羊衛星”，表明環是狹窄的。

木星小紅斑

下圖中的小紅斑是由兩張照片合成的。一張是“新視野”拍攝的，一張是“哈勃空間望遠鏡”拍攝的。兩張照片幾乎是在同一時間拍攝的。

木星紅斑是木星大氣中的巨大風暴。小紅斑是木星上的第二大風暴，第一大風暴是大紅斑。大紅斑東西長約4 萬千米，南北長約1.3 萬千米，有好幾個地球大，而小紅斑的大小約為地球的70％。小紅斑開始出現時呈白色，然后變紅。上個世紀90 年代出現的一個小紅斑，是由3 個較小的風暴碰撞、合并而成的。最初的顏色呈白色，到2005 年末開始變紅。小紅斑中的云是逆時針旋轉的，即在反氣旋方向上旋轉，與大紅斑相同。多數科學家認為，大紅斑與地球上的颶風相同，而小紅斑卻不同。颶風是低氣壓區，小紅斑卻是高氣壓區，小紅斑的規模也遠遠大于地球上最大的颶風。

小紅斑為什么變紅？目前還是個謎。有的科學家認為，這種變化可能來源于很深的木星內部，是那里洶涌澎湃的奇異物質經木星大氣中的風暴系統增強后，里面的紅色游離出來，小紅斑就變成了紅色。特別是含硫的云滴，它們可以推進50 千米。當它們進入到“氨云”（由氨而非水構成）的上層時，被云頂明亮的陽光照耀后，云滴里的紅色硫釋放出來，風暴就變紅了。

木星紅外圖像

上面這組木星像是由“新視野”飛船上的“利薩”拍攝的。“利薩”是一架紅外光譜攝像儀，有250 個通道，能同時在250 個紅外波長范圍拍攝天體圖像。這組圖像是飛船在距離木星600 萬千米的地方拍攝的，圖像上能夠分辨出400 千米的細節。400 千米似乎是個不小的長度，但它同14.4 萬千米的木星直徑相比卻是個小數，在今天的探測水平下，這樣的分辨率已經算是比較高的。

這里展示的圖像僅是傳回的部分資料，等將來整個“利薩”的資料處理出來后，科學家就能繪制出一幅立體的木星大氣成分圖和環流圖。

在圖像上，亮區是由木星大氣中的云和薄霧造成的，暗區則相應于尚未被反射的太陽輻射在大氣中被吸收的區域。在3 幅圖像中，中間一幅的輻射來自較高層大氣，其余兩幅則來自較深的大氣層。圖像上的一切明亮特征都來自高層云，在中間的圖像上有一個孤立的圓形結構——小紅斑，它實質上是較低層的云延伸到高層大氣的結果。

木星高空云

上圖是由“新視野”飛船拍攝的。拍攝時飛船距離木星大約230 萬千米，照片上能分辨出50 千米的細節特征。

這張高空云圖揭示了木星不同區域的特征。從南極開始，從南到北的情況大致是：南極籠罩著一層薄霧，霧中的小顆粒可能是極光活動期間進入極區的帶電粒子。薄霧就是這些帶電粒子在沉降過程中產生的。在極冠北面不遠處，有一個發展得相當完善的反氣旋漩渦，氣旋中心有正在升騰的白色雷暴云砧（暴風雨之前出現的云，整體形狀宛如頂部平衍的鐵砧），好像航空照片一樣。漩渦偏北一點是一些比較紊亂的風暴和比較多的雷暴云砧。在北面更遠一點的地方，出現一些黑色的“斑疹”，這是無云區。因為這里無云，而能吸收光線的甲烷氣體幾乎將光線全部吸收，所以出現黑色“斑疹”。在赤道區，風速明顯加快，巨大噴射物被風“吹”成長長的、裊裊上升的“波浪”。從赤道再往北，風能將卷云那樣比較寧靜的云吹得達到每秒178 米的速度！在這里，能看到比較多的雷暴云砧。

這張云圖所揭示的復雜結構令人激動，但它只是“新視野”飛船在不同波長上取得的260 幅木星圖像中的一幅，“新視野”能對不同高度的木星大氣進行全方位觀測，在2015 年之前它還將提供大量迷人的木星大氣資料。

“伽利略衛星”肖像

上圖中從左到右分別是木衛一（伊娥）、木衛二（歐羅巴）、木衛三（加尼默德）和木衛四（卡里斯特）。這是按它們到木星的距離由近而遠排列的，圖像的醇腫乓徊惚∥恚碇械男】帕？贍蓯羌饣疃詡浣?入極區的帶電粒子。薄霧就是這些帶電粒子在沉降過程中產生的。在極冠北面不遠處，有一個發展得相當完善的反氣旋漩渦，氣旋中心有正在升騰的白色雷暴云砧（暴風雨之前出現的云，整體形狀宛如頂部平衍的鐵砧），好像航空照片一樣。漩渦偏北一點是一些比較紊亂的風暴和比較多的雷暴云砧。在北面更遠一點的地方，出現一些黑色的“斑疹”，這是無云區。因為這里無云，而能吸收光線的甲烷氣體幾乎將光線全部吸收，所以出現黑色“斑疹”。在赤道區，風速明顯加快，巨大噴射物被風“吹”成長長的、裊裊上升的“波浪”。從赤道再往北，風能將卷云那樣比較寧靜的云吹得達到每秒178 米的速度！在這里，能看到比較多的雷暴云砧。

這張云圖所揭示的復雜結構令人激動，但它只是“新視野”飛船在不同波長上取得的260 幅木星圖像中的一幅，“新視野”能對不同高度的木星大氣進行全方位觀測，在2015 年之前它還將提供大量迷人的木星大氣資料。

兩顆衛星合照

2007 年3 月2 日，即在“新視野”飛船最接近木星兩天后，飛船上拍攝到一張美麗的天空藝術照（下圖）。照片的主體是一對太空“兄弟”，一個叫“木衛一”（左上），一個叫“木衛二”（右下）。它們是最靠近木星的兩顆“伽利略衛星”。照片選取了一個特別角度：飛船到木衛一的距離是460 萬千米，到木衛二的距離是380 萬千米，兩顆衛星之間相隔79 萬千米。拍照時，木星位于木衛一和木衛二中間黑暗處，木衛一的夜晚面對著木星，能照到木星的反射光，所以照片上的木衛一夜晚面有輝光；而木衛二的夜晚面背著木星，照不到木星的反射光，所以木衛二的夜晚面是全黑的。這張藝術照主要強調藝術價值而不是科學性。在這張照片上，木衛一宛如一彎新月，頂上現出一簇“羽冠”。這簇美麗的“羽冠”是木衛一上的特瓦希塔火山的噴射物。衛星表面右邊的淡淡輝光是被木星反射光照亮的。照片上的木衛二（右下）比較平靜，其左邊好像一把鋒利的鐮刀閃耀青光，右邊一片漆黑，與行星際空間并無二致。

木衛一“變、變、變”

木衛一是一個頻繁活動的世界（下圖），是太陽系中活火山最多的天體，據統計，它上面的“熱點”（溫度比較高，有可能是火山的區域）有100 多個。除特瓦希塔火山外，普洛米休斯火山和比爾火山也是很有名的。普洛米休斯火山噴射高達70 千米，比爾火山噴射高達400 千米。除了火山外，木衛一表面還有兩個有趣的特征。

一是表面變化。將“伽利略”飛船1999 年拍攝的圖像和“新視野”飛船2007 年拍攝的圖像進行比較，可以看出，盡管在7 年多時間里，木衛一上未曾間斷過強烈的火山活動，但它上面的大多數特征變化不大，比如黑色的卵形區域，最大尺寸約為1200 千米，是比爾火山的沉積物。在“新視野”拍攝的圖像上，木衛一北半球高緯度地區有一個明顯的暗黑區域，那是大智博格火山。這座火山在“伽利略”拍攝的圖像上還不顯著，是在1999 ～ 2001 年之間變暗的。最近，“新視野”在木衛一南半球也看到了一個“伽利略”所沒有見到過的變化（圖中的圓圈）：一個直徑約為500 千米的近似圓形的沉積物，而且產生這個沉積物的噴射區仍在活動。

二是火山移動。比較“旅行者”和“伽利略”的觀測資料，科學家發現了一個非常奇特的現象：普洛米休斯火山在移動。在1979 年3 月以后的17 年內，普洛米休斯火山體及散落在它周圍的碎石環向西移動了85 千米。火山竟然能移動？！科學家對此感到吃驚。但經過仔細研究后，他們證實，其實不是火山在移動，而是這座火山噴射的形式很特殊。火山噴射物通常是從火山口噴出來的，而普洛米休斯火山卻不是這樣，它的熾熱巖漿從火山口噴出后，在表面上蔓延開來，巖漿所到之處巖石被融化，氣體從融化的巖石里噴發出來，形成火山噴出物。因此，普洛米休斯火山是從蔓延熔巖的前沿噴發出來的。由于熾熱的巖漿從火山口向外蔓延，所以在遠處看似乎是火山的噴射物在移動。

特瓦希塔火山噴發

上圖是木衛一上的特瓦希塔火山的噴射物下落的圖像。為了能看清照片上火山噴發和衛星夜晚面暗弱的細節，拍攝時故意使衛星的白晝面感光過度一點，以保證噴出物和夜晚面得到最佳的感光時間。照片上噴出的火山礫石，在落日陽光下像雨點一樣落到木衛一的夜晚面。在晝夜分界線白晝一邊的明亮光點，則是噴出口熾熱的發光熔巖。照片上的木衛一夜晚面的微弱輝光是其晝夜分界線上的山脈反射的木星落日余輝。

另“眼”看伊娥

有時，在“新視野”飛船上，幾架儀器幾乎同時取得木星系統的觀測資料。右圖就是大視場勘測攝像儀、多光譜可見光攝像機和“利薩”紅外光譜儀三架儀器共同觀測獲得的。它們的觀測結果如下：

大視場勘測攝像儀拍攝的像（圖中左側）顯示了陽光照耀的木衛一（伊娥）上“月牙”的細節，還顯示了陽光照耀的部分特瓦希塔火山噴射物的細節，并揭示了特瓦希塔噴口處熾熱熔巖明亮的夜晚輝光。多光譜可見光攝像機拍攝的圖像（圖中右上側）顯示了特瓦希塔地區紅色熔巖與藍色噴射物的鮮明的顏色對比，還顯示了硫和二氧化硫在陽光照射的木衛一表面的沉積。“利薩”紅外光譜儀拍攝的圖像（圖中右下側）揭示，衛星夜晚面上至少出現了10 個較弱的火山熱點。在特瓦希塔右下方，能見到阿米萊尼火山和毛伊火山，它們是一些暗弱的火山，最亮時還沒有特瓦希塔的4% 亮。

冉冉升起的歐羅巴

“新視野”拍攝了許多太陽系的精美藝術像，除了《兩顆衛星合照》外，比較著名的還有《歐羅巴從木星云層上升起》（下圖）。這張藝術照是“新視野”飛船在距離木星230 萬千米，距離木衛二（歐羅巴）300 萬千米的地方拍攝的。

兩“眼”看木衛三

2007 年2 月27 日，在接近木星系統時，“新視野”用兩只“眼睛”觀察了木衛三，其中一只“眼”是“利薩”紅外光譜儀（拍攝結果為圖①），另一只是大視場勘測攝像儀（拍攝結果為圖②）。

“利薩”拍攝的圖像顯示，木衛三表面上的物質成分顯著不同，其中藍色代表比較清潔的水冰，褐色則顯示出受到較暗物質污染的區域。

圖③是兩架儀器拍攝的圖像合成的結果。

捕獲木衛四

這是拍攝到的木衛四的圖像。圖像上的亮點是隕擊坑。木衛四表面十分古老，除了隕擊坑外，沒有其他大規模的地質特征。從隕擊坑里飛出來的物質可能含有比較豐富的水冰。木衛四表面最大的隕擊坑是“瓦爾哈拉”盆地，這是一個巨大的盆地。

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引力援助

“新視野”飛船接近木星時做的另一件事，就是利用木星的強大吸引力進行引力援助試驗。所謂“引力援助”，簡單地說，就是空間飛行器借助天體的引力調整其飛行軌道。

引力援助的最簡單的例子是利用地球引力：向偏東方向發射人造衛星，就可以利用地球的自轉給人造衛星提供推力，為火箭節省燃料。從1990 年開始，科學家已經借用地球引力“援助”過10 艘空間飛行器。

第一艘受援的飛行器是歐洲空間局研究哈雷彗星的“喬特”，發射于1985 年，1986 年飛過哈雷彗星的核心，1990 年回到地球軌道，然后借助地球引力加速，重新瞄準1992 年出現在天空中的另一顆彗星——格里格－斯克杰羅普彗星。前不久，美國宇航局發射的水星探測器“信使號”也飛近地球，借助地球的引力調整了自己的軌道。

不僅地球引力可以借用，其他天體的引力也可以借用。1977 年8 月，“旅行者2 號”空間飛行器飛到木星附近。它來到木星附近有兩個目的：一是對木星進行勘測，二是借用木星引力調整自己的飛行軌道以便飛往土星。比“旅行者2 號”遲1 個月發射的“旅行者1 號”也從木星附近飛過，其目的也是調整飛船軌道。“旅行者2 號”在飛往海王星以外的途中，還得到了土星和天王星的引力援助。探測木星的“伽利略”飛船在飛往木星的途中，得到1 次金星引力援助、2 次地球引力援助。“卡西尼”飛船在前往土星的途中，得到2 次金星引力援助、1 次地球引力援助、1 次木星引力援助。“尤里西斯”飛船在飛往太陽的途中，假若沒有木星的引力援助，就不可能到達太陽南極。

引力援助技術的實質，就是給飛行器增加或減少能量。迄今在行星際空間飛行的飛行器都是環繞太陽運行的。引力援助技術可以用來增加飛行器環繞太陽運行的速度，使飛行器在太陽系中向外推進的距離遠遠超過發射火箭所能達到的離開太陽的距離；同樣，引力援助技術也可以用來減小環繞太陽運行的飛行器的速度。當用引力援助來減小飛行器的速度時，就可以減少飛船的能量。“伽利略”飛船在木衛一前面飛過時，科學家就是運用引力援助的方法減少了它相對于木星的能量，從而減少了進入木星軌道所需的火箭燃料。當前，縈繞在科學家腦中的一個重要問題是：如何避免環繞太陽運行的彗星和小行星等小天體同地球相撞？在迄今提出的各種解決方案中，有一個就是對小天體施加引力，使它偏離原來的軌道，避開地球，從而消除撞擊地球的危險。對小天體施加引力，實際上也是一種引力援助。

下面是一個應用引力援助調整飛船軌道的例子。

“旅行者”是美國發射的、用來考察土星以外天體的一系列飛船，但它們的運載工具所提供的能量只夠飛船飛到木星附近。木星到太陽的距離大約為7.8 億千米，而土星到太陽的距離大約為14.3 億千米，也就是說，“旅行者”到達木星時最多只飛了一半航程，另一半航程必須借用木星引力援助來完成。怎樣借用木星引力援助呢？在飛船發射之前，科學家對“旅行者”們的發射時間進行了周密的計算，使它們在環繞太陽運行的過程中得到如下控制：在受到木星引力吸引并開始往木星降落之前，從木星后面接近木星（因為木星環繞太陽運行 ，“旅行者”也環繞太陽運行，所以它們相對于太陽總會有一個在前，一個在后）；在與木星最接近時，不與木星發生接觸；在離開木星時，相對于木星的速度開始變慢；在不受木星引力束縛時，飛行速度恢復到飛船原來在軌道上的速度。

假如從木星上看，上述情況就像一個騎自行車的人先下坡，而后上坡，下坡時速度加快，上坡時速度變慢，最后恢復到原來的速度。不過，這里所說的速度變化與騎自行車上下坡不完全相同。騎自行車上下坡時，速度變化只是速度的快慢變化，方向不改變；而“旅行者”通過木星附近后，速度的大小和方向都發生了變化，這樣就調整了飛船的軌道。調整飛船軌道的最典型例子是“尤里西斯”，它原來在黃道面附近飛行，利用木星引力援助后，由在黃道面附近飛行調整到了環繞太陽極區飛行。

“新視野”飛船這次從木星附近穿過，不僅軌道得到了調整，還得到一批“紀念品”，其中不僅有接近木星時拍攝的照片，而且還有大量尚未處理出來的數據，還有木星贈予的每秒4 千米的極高速度，真可謂滿載而歸。

對于木星來說，能量被“新視野”取走了一部分，其速度也就變慢了，不過，這種減慢是微乎其微的，因為“新視野”吸收的能量只是木星軌道運動能量的10 億億億分之一，猶如從大海里取出了一滴水。對于木星這個“浩瀚的大海”來說，損失一滴水又算得了什么呢？然而，對于只有鋼琴大小的“新視野”來說，木星的10 億億億分之一能量已足夠使它提前5 年飛到冥王星。因此，說白了，引力援助就是一種“能量巨大的太空旅行燃料”，難怪天文學家早就期盼著利用它了。

（本文圖片由美國宇航局提供）