“朱諾”號(hào)如何探測(cè)木星？

松園

經(jīng)過(guò)5年的漫長(zhǎng)飛行，“朱諾”號(hào)木星探測(cè)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(kāi)始近距離探測(cè)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(zhǎng)達(dá)一年半的木星探測(cè)。那么，“朱諾”號(hào)將如何探測(cè)木星呢？與此前的探測(cè)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(chēng)為“朱庇特”，在羅馬神話(huà)中是“眾神之王”的意思。木星當(dāng)之無(wú)愧是太陽(yáng)系行星家族中最有影響力的“王者”：木星的質(zhì)量是太陽(yáng)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(yáng)系，為地球帶來(lái)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(yáng)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(yáng)系的環(huán)境。

人類(lèi)研究木星的歷史已超過(guò)4個(gè)世紀(jì)，已有8艘探測(cè)器先后造訪(fǎng)過(guò)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。“朱諾”號(hào)木星探測(cè)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(cè)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(lèi)首次對(duì)木星極區(qū)的觀測(cè)。

多數(shù)科學(xué)家都是用望遠(yuǎn)鏡和探測(cè)器研究木星表面的云層以了解木星，所以對(duì)木星的內(nèi)部并不十分清楚。可能它有一個(gè)固體的核，作為行星成長(zhǎng)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(chǎng)。人們猜想，在木星的云層下會(huì)存在豐富的水蒸氣。這些問(wèn)題都是“朱諾”號(hào)要研究和發(fā)現(xiàn)的。

來(lái)自這艘新探測(cè)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。科學(xué)家認(rèn)為，木星形成時(shí)吸收了周?chē)臍怏w，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(yáng)誕生時(shí)就圍繞在太陽(yáng)周?chē)缓螅鼈儍?chǔ)存在了大大小小的“倉(cāng)庫(kù)”里，這些“倉(cāng)庫(kù)”就是圍繞著太陽(yáng)運(yùn)行的行星。

在行星形成的過(guò)程中，水起了關(guān)鍵性的作用。探測(cè)木星氣體中的水可以讓我們知道木星是在太陽(yáng)系的什么地方形成的，還可以告訴我們?cè)缙谔?yáng)系的環(huán)境是怎樣的。在太陽(yáng)系里，巨大的行星形成于離太陽(yáng)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(kāi)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(cè)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(cè)器以探測(cè)大氣中的溫度、壓力和化學(xué)組成。這枚子探測(cè)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(chēng)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(cè)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(cè)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(cè)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(guò)程中，木星也在釋放微波能，而水則擅長(zhǎng)在特殊頻率下吸收微波能。“朱諾”號(hào)多次繞木星飛行，在這個(gè)過(guò)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(cè)水并不能回答有關(guān)木星誕生的所有問(wèn)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。“朱諾”號(hào)要終結(jié)這兩種觀點(diǎn)的爭(zhēng)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(guò)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(guò)木星飛行的探測(cè)器相比，“朱諾”號(hào)有一個(gè)優(yōu)勢(shì)，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(duì)探測(cè)器上的儀器會(huì)產(chǎn)生不良影響。為了解決這個(gè)問(wèn)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(cè)器和外部世界的聯(lián)系只能通過(guò)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(cè)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(xiàn)。科學(xué)家的計(jì)劃是讓這艘探測(cè)器靠近木星，然后迅速離開(kāi)，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(fǎng)問(wèn)過(guò)木星的探測(cè)器都靠近赤道運(yùn)行。1974年，“先驅(qū)者”11號(hào)在離開(kāi)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(yáng)探測(cè)器“尤利西斯”號(hào)在前往太陽(yáng)的途中飛越了木星的兩極，然而“尤利西斯”號(hào)沒(méi)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(wú)幾，但它一無(wú)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(lái)自太陽(yáng)風(fēng)和行星磁場(chǎng)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(chǎng)的途徑。

“卡西尼”號(hào)土星探測(cè)器曾于2004年從土星發(fā)回?cái)?shù)據(jù)，通過(guò)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)。科學(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(méi)有像“伽利略”號(hào)那樣使用核能，而是依靠3個(gè)10米長(zhǎng)的太陽(yáng)能電池板滿(mǎn)足探測(cè)活動(dòng)中對(duì)電能的需求，這在人類(lèi)的木星探測(cè)活動(dòng)中是史無(wú)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鈦?lái)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(guó)國(guó)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(cè)器”也計(jì)劃于2022年發(fā)射并將于2030年抵達(dá)木星。“木星冰月探測(cè)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(yáng)系中最大的衛(wèi)星。

對(duì)木星的探測(cè)將不僅僅有助于回答有關(guān)巨行星的諸多問(wèn)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(cè)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(lèi)元素是生命組成的關(guān)鍵部分。在早期的太陽(yáng)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(kāi)這個(gè)疑問(wèn)。

【責(zé)任編輯】龐 云