劉聲遠(yuǎn)

2016年7月4日，美國宇航局“朱諾號”太空探測器（以下簡稱“朱諾”）進(jìn)入環(huán)繞木星的軌道。這一事件引起天文學(xué)家和天文愛好者的高度關(guān)注。

它為什么叫“朱諾”？

美國宇航局解釋說，“朱諾”之名源自古希臘-古羅馬神話。宙斯神朱庇特用云霧籠罩自己，目的是掩藏自己的不幸。但他的妻子朱諾能看穿云霧，識破朱庇特的本質(zhì)。木星被非常稠密的大氣層包裹，正如朱庇特?！爸熘Z”探測木星，以這個(gè)名字命名這項(xiàng)任務(wù)十分貼切。

“朱諾”是怎樣發(fā)射的？

“朱諾”原定發(fā)射成本大約為7億美元，發(fā)射時(shí)間是2009年6月。因預(yù)算制約，發(fā)射時(shí)間被建議推遲到2011年8月。但到了2011年6月，任務(wù)總成本預(yù)算實(shí)際上已達(dá)11億美元。

2011年8月5日，在美國卡納維納爾角空軍基地，“朱諾”由“大力神5”火箭發(fā)射升空?！按罅ι?”運(yùn)用了俄羅斯的設(shè)計(jì)，主引擎由煤油和液氧驅(qū)動(dòng)。在五級捆綁式助推器點(diǎn)火之前，火箭接受了3.8秒的最終檢查。火箭升空大約1分33秒后，固體燃料起飛助推器燃料耗盡，其中兩級助推器與火箭分離。1.5秒后，其余三級也脫離火箭。“朱諾”升空大約3分24秒后，升溫級別降到預(yù)設(shè)底限以下，護(hù)駕“朱諾”穿越稠密大氣層的負(fù)載整流罩也與火箭脫離?！爸熘Z”升空4分26秒后，火箭主引擎脫落。次級火箭“半人馬座”點(diǎn)火燃燒大約6分鐘，把“朱諾”送入初始停泊軌道。“朱諾”依靠慣性飛行大約30分鐘。接著，“半人馬座”再次點(diǎn)火燃燒9分鐘，把“朱諾”送進(jìn)一條以太陽為中心的地球逃逸軌道。

“朱諾”之所以要自旋，是為了確保自己在整個(gè)旅途中的穩(wěn)定，這樣一來，飛行器上的所有儀器屆時(shí)才能觀測木星。在與“朱諾”分離之前，“半人馬座”運(yùn)用反應(yīng)引擎，讓“朱諾”達(dá)到所需的每分鐘自旋轉(zhuǎn)數(shù)?！爸熘Z”升空大約54分鐘時(shí)，“半人馬座”與它分離，“朱諾”開始展開自己的太陽能電池板。當(dāng)太陽能電池板全部展開并鎖定后，“朱諾”的電池開始充電。

借助地球引力

在以太陽為中心的橢圓形軌道中繞行了兩年后，“朱諾”在2013年10月回到地球附近，借助地球引力讓自己向著木星飛去。這一操作被稱為“引力援助”。在借助地球引力后，“朱諾”的飛行速度每秒增加了3.9千米，并且最終踏上了飛往木星的旅途。這次飛近地球，也是為了讓“朱諾”科學(xué)團(tuán)隊(duì)能進(jìn)行一次演練，目的是測試“朱諾”搭載的儀器，同時(shí)演練在“朱諾”抵達(dá)木星之前的一些操作程序。

“朱諾”這趟前往木星之旅歷時(shí)長達(dá)5年。到2013年8月12日，“朱諾”已完成了這趟旅途的一半。當(dāng)?shù)竭_(dá)木星系統(tǒng)時(shí)，它已經(jīng)飛行了大約19天文單位（天文單位是指地球與太陽之間的平均距離，約為1.5億千米）。

“朱諾”是“老二”

“朱諾”是迄今為止僅有的兩艘環(huán)繞木星的飛行器（也稱飛船或探測器）中的第二艘，也是第一艘由太陽能驅(qū)動(dòng)的木星飛行器，還是迄今為止從地球出發(fā)、飛得最遠(yuǎn)的由太陽能驅(qū)動(dòng)的飛行器。第一艘木星飛行器是核動(dòng)力的“伽利略號”探測器，它在1995-2003年期間環(huán)繞了木星。2003年9月21日，在太空和木星系統(tǒng)中分別待了14年和8年的“伽利略號”被遙控終結(jié)任務(wù)，以超過每秒48千米的速度墜入木星大氣層，避免了地球生物（細(xì)菌）污染木星衛(wèi)星（木衛(wèi)）的可能性（至于原因，請參見后文“脫軌和解體”）。

與所有前往外太陽系的早期核動(dòng)力飛行器不同，“朱諾”完全由太陽電池板驅(qū)動(dòng)。太陽能電池板通常被用于在內(nèi)太陽系運(yùn)行的人造衛(wèi)星，而飛往外太陽系以及更遠(yuǎn)地方的飛行器通常采用放射性同位素?zé)犭姲l(fā)電機(jī)。但對于“朱諾”來說，3個(gè)太陽能電池板陣列（其中之一是迄今為止部署在行星探測器上的最大陣列）在穩(wěn)定飛行器和產(chǎn)生動(dòng)力方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

軌道和軌道環(huán)境

“朱諾”很扁的橢圓軌道，把它帶入靠近木星（距離木星在4300千米以內(nèi)）的極地軌道?！爸熘Z”將多次飛越木星兩極，那里有太陽系中最強(qiáng)烈的極光?？茖W(xué)家打趣說，木星是一顆服用了興奮劑的星球，它的一切都是極端的。接下來，橢圓軌道又將把“朱諾”帶到很遠(yuǎn)的地方，甚至是在卡利斯托（木衛(wèi)四，木星最亮的四顆衛(wèi)星之一，是距木星第六遠(yuǎn)的衛(wèi)星）的軌道外。2016年10月19日，一次旨在降低軌道偏心率的點(diǎn)火，將把“朱諾”送進(jìn)一個(gè)距離木星云頂2000千米以內(nèi)的軌道，“朱諾”將在這里展開關(guān)鍵數(shù)據(jù)采集工作。在這個(gè)軌道中，“朱諾”只需14天就能環(huán)繞木星一圈?！爸熘Z”將這樣環(huán)繞木星37圈，直到任務(wù)終結(jié)。上述兩條軌道都利用了木星附近輻射帶中的一個(gè)間隙，讓“朱諾”能夠在一個(gè)輻射相對最小的區(qū)域中疾飛，從而保證“朱諾”的可運(yùn)作性。

這些軌道能最大程度減少“朱諾”與木星強(qiáng)烈輻射帶的接觸，這種接觸會損壞“朱諾”的電子元器件和太陽能電池板。1厘米厚的鈦金屬“朱諾防輻射罩”，也有助于保護(hù)“朱諾”。雖然依然會面臨強(qiáng)輻射，但是“朱諾”搭載的相機(jī)（美國公眾可投票決定它的朝向）和木星紅外極光繪圖儀被設(shè)計(jì)成能經(jīng)受住“朱諾”對木星的至少8次環(huán)繞，“朱諾”搭載的微波輻射計(jì)被設(shè)計(jì)成能經(jīng)受住至少11次環(huán)繞。與美國宇航局“伽利略號”探測器之前在木星赤道軌道中的繞行相比，“朱諾”將受到的輻射水平要低得多。

插入木星軌道

木星的強(qiáng)大引力，把向著它而來的“朱諾”加速到大約每秒74千米。2016年7月5日，持續(xù)2012秒的插入點(diǎn)火讓“朱諾”減速至每秒542米，并且把它的雙曲線軌道變?yōu)闄E圓形的木星極地軌道，軌道周期約為53.5天，即“朱諾”環(huán)繞木星一圈需用時(shí)53.5天。2016年7月4～5日，“朱諾”完成了自己這趟木星之旅中的最難部分——準(zhǔn)確進(jìn)入木星極地軌道，這為“朱諾”在接下來20個(gè)月里采集探測數(shù)據(jù)和它最終的墜毀奠定了基礎(chǔ)。

脫軌和解體

按照計(jì)劃，“朱諾”將在第37次環(huán)繞木星期間結(jié)束自己的任務(wù)，并執(zhí)行一次遙控脫軌操作，在木星大氣層中解體。在近距離探測木星系統(tǒng)的過程中，“朱諾”將不可避免地暴露在木星磁層的強(qiáng)輻射中，這可能導(dǎo)致設(shè)備失靈和與木衛(wèi)（木星衛(wèi)星）相撞。按照美國宇航局制定的“行星保護(hù)指南”，這次遙控脫軌將清除“朱諾”的殘骸，消除造成污染的風(fēng)險(xiǎn)。事實(shí)上，美國宇航局避免“朱諾”污染的主要目標(biāo)是歐羅巴（木衛(wèi)二，它被科學(xué)家認(rèn)為是太陽系中除地球之外最有可能找到生命的地方）?！爸熘Z”的“壯烈殉職”過程將持續(xù)5.5天，在此期間，它將結(jié)束與地球的通信，下降到木星大氣層中。由于“朱諾”與木星致密大氣層之間的極高速摩擦，這艘探測器將徹底解體和燃盡自己。

“朱諾”的科學(xué)目標(biāo)

“朱諾”搭載的整套科學(xué)儀器，將執(zhí)行以下探測任務(wù)：

查明氫氧比例。實(shí)際上是通過測量木星水的豐度，幫助辨別把木星形成與太陽系聯(lián)系起來的哪些流行理論可能是正確的。

獲取對木星核質(zhì)量的更好估計(jì)值。這也將有助于辨別把木星形成與太陽系聯(lián)系起來的哪些流行理論可能是正確的。

精確繪制木星引力場地圖，以便于分析木星內(nèi)部質(zhì)量分布，包括木星結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)特性。

精確繪制木星磁場地圖，以便于分析木星磁場來源和結(jié)構(gòu)，以及木星磁場產(chǎn)生于木星內(nèi)部怎樣的深度。這一探測也將有助于科學(xué)家了解“木星發(fā)電機(jī)”理論的基本物理學(xué)原理。

對木星所有緯度中壓強(qiáng)超過100巴（1巴=100千帕）的深度繪制大氣成分、溫度、結(jié)構(gòu)、云層不透明度和動(dòng)力學(xué)地圖。

描述并探索木星極地磁層和極光的三維結(jié)構(gòu)。

測量由木星角動(dòng)量造成的軌道參考系拖曳現(xiàn)象，并且有可能對與木星自轉(zhuǎn)有關(guān)的廣義相對論效應(yīng)進(jìn)行一次新的檢驗(yàn)。

木星：太陽系最大行星

木星是太陽系中從太陽開始數(shù)起、由近至遠(yuǎn)的第五顆行星，也是太陽系中最大的行星。作為一顆巨行星，木星的質(zhì)量是太陽的1/1000，但卻是太陽系其他所有行星質(zhì)量之和的2.5倍。木星和土星是氣態(tài)巨行星，天王星和海王星則是冰巨行星。古羅馬人以宙斯神朱庇特之名來命名木星。從地球上觀測，木星是亮度僅次于月球和金星的天體。

木星主要由氫組成，但木星質(zhì)量中有25%是氦，而氦分子數(shù)只占木星分子數(shù)的大約10%。木星可能擁有由較重元素組成的巖石內(nèi)核，但與其他巨行星不同的是，木星沒有明顯的固體表面。由于自轉(zhuǎn)速度太快，木星的形狀是扁球，赤道附近有輕微但明顯可見的鼓起。木星的外層大氣明顯分化成位于不同緯度的多個(gè)條狀地帶，在它們相互作用的邊界形成渦旋和風(fēng)暴，其中最著名的是大紅斑。大紅斑是一個(gè)巨型風(fēng)暴云團(tuán)（其直徑相當(dāng)于地球直徑的2～3倍），17世紀(jì)的望遠(yuǎn)鏡就已證實(shí)了它的存在，但它迄今為止存在了多久則不得而知。一個(gè)暗弱的行星環(huán)系統(tǒng)和一個(gè)強(qiáng)烈的磁層環(huán)繞著木星。木星有至少67顆衛(wèi)星，其中包括4顆較大的伽利略衛(wèi)星（它們的得名是因?yàn)樗鼈兪怯梢獯罄茖W(xué)家伽利略在1610年發(fā)現(xiàn)的）。加尼美得（木衛(wèi)三）是已知最大的木衛(wèi)，它的直徑比一顆行星——水星的還大。

迄今已有多艘機(jī)器人飛行器探訪過木星，其中最著名的是早期由美國宇航局“先鋒”和“旅行者”飛行器對它的造訪，還有后來由“伽利略”軌道器對它的探測。2007年2月底，美國宇航局“新地平線”探測器造訪木星，利用木星引力提速并變軌到前往冥王星的航向?！爸熘Z”是探訪木星的最新一艘飛行器。計(jì)劃中的木星系統(tǒng)探測目標(biāo)中，重點(diǎn)是歐羅巴（土衛(wèi)二）可能被冰層覆蓋的地下海洋。

木星：地球之母？

天文學(xué)家的一個(gè)猜想是，隨著木星摧毀早期太陽附近的超級地球，地球及其近鄰行星可能從超級地球與木星的撞擊碎片中產(chǎn)生。當(dāng)木星向著內(nèi)太陽系移動(dòng)時(shí)，其引力拖曳導(dǎo)致超級地球之間的一系列碰撞，原因是這些超級地球的軌道開始重合。天文學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了太陽系以外近500個(gè)有多顆行星的行星系統(tǒng)。這些系統(tǒng)通常包含一些質(zhì)量是地球多倍的行星（即所謂的超級地球），它們與自己所環(huán)繞的恒星（母恒星）之間的距離比水星與太陽之間的距離還近。有時(shí)候，還有與木星質(zhì)量相仿的氣態(tài)巨行星靠近母恒星。這些行星系統(tǒng)為天文學(xué)家的上述猜想提供了依據(jù)。當(dāng)木星移出內(nèi)太陽系時(shí)，可能會導(dǎo)致包括地球在內(nèi)的內(nèi)行星形成。

有一種比較主流的理論認(rèn)為，當(dāng)太陽形成后，余下的氣體和塵埃中的大多數(shù)形成了一顆氣態(tài)巨行星——木星，其余氣體和塵埃則散落到太陽系各處，最終形成其他行星，甚至創(chuàng)造了人類。因此，有科學(xué)家認(rèn)為，有關(guān)太陽系起源的線索就隱藏在木星大氣層里。

木星生命？

1953年的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)證明：閃電加上原始地球大氣層中存在的化合物，就可能形成包括氨基酸在內(nèi)的有機(jī)化合物，它們可能充當(dāng)生命的構(gòu)建單元。模擬的原始地球大氣層中包含水、甲烷、氨和分子氫，而所有這些分子今天仍見于木星大氣層。木星大氣層有一種強(qiáng)烈的垂直空氣循環(huán)，可能會把這些化合物輸送到下方地區(qū)。木星大氣層內(nèi)部的高溫會分解這些化合物，阻礙類似地球生命的生命形成。

多數(shù)天文學(xué)家相信，木星上不可能存在類似地球生命的生命，這是因?yàn)槟拘谴髿鈱又械乃刻?，而且就算木星?nèi)部有固態(tài)表面，那里所承受的壓力也非常巨大。不過，也有一些天文學(xué)家猜想，木星上層大氣中可能演化出基于氨或水的生命。但木星系統(tǒng)中更可能存在生命的地方，是在一些木衛(wèi)可能擁有的地下海洋中。