“朱诺”探木星

刘声远

2016年7月4日，美国宇航局“朱诺号”太空探测器（以下简称“朱诺”）进入环绕木星的轨道。这一事件引起天文学家和天文爱好者的高度关注。

它为什么叫“朱诺”？

美国宇航局解释说，“朱诺”之名源自古希腊-古罗马神话。宙斯神朱庇特用云雾笼罩自己，目的是掩藏自己的不幸。但他的妻子朱诺能看穿云雾，识破朱庇特的本质。木星被非常稠密的大气层包裹，正如朱庇特。“朱诺”探测木星，以这个名字命名这项任务十分贴切。

“朱诺”是怎样发射的？

“朱诺”原定发射成本大约为7亿美元，发射时间是2009年6月。因预算制约，发射时间被建议推迟到2011年8月。但到了2011年6月，任务总成本预算实际上已达11亿美元。

2011年8月5日，在美国卡纳维纳尔角空军基地，“朱诺”由“大力神5”火箭发射升空。“大力神5”运用了俄罗斯的设计，主引擎由煤油和液氧驱动。在五级捆绑式助推器点火之前，火箭接受了3.8秒的最终检查。火箭升空大约1分33秒后，固体燃料起飞助推器燃料耗尽，其中两级助推器与火箭分离。1.5秒后，其余三级也脱离火箭。“朱诺”升空大约3分24秒后，升温级别降到预设底限以下，护驾“朱诺”穿越稠密大气层的负载整流罩也与火箭脱离。“朱诺”升空4分26秒后，火箭主引擎脱落。次级火箭“半人马座”点火燃烧大约6分钟，把“朱诺”送入初始停泊轨道。“朱诺”依靠惯性飞行大约30分钟。接着，“半人马座”再次点火燃烧9分钟，把“朱诺”送进一条以太阳为中心的地球逃逸轨道。

“朱诺”之所以要自旋，是为了确保自己在整个旅途中的稳定，这样一来，飞行器上的所有仪器届时才能观测木星。在与“朱诺”分离之前，“半人马座”运用反应引擎，让“朱诺”达到所需的每分钟自旋转数。“朱诺”升空大约54分钟时，“半人马座”与它分离，“朱诺”开始展开自己的太阳能电池板。当太阳能电池板全部展开并锁定后，“朱诺”的电池开始充电。

借助地球引力

在以太阳为中心的椭圆形轨道中绕行了两年后，“朱诺”在2013年10月回到地球附近，借助地球引力让自己向着木星飞去。这一操作被称为“引力援助”。在借助地球引力后，“朱诺”的飞行速度每秒增加了3.9千米，并且最终踏上了飞往木星的旅途。这次飞近地球，也是为了让“朱诺”科学团队能进行一次演练，目的是测试“朱诺”搭载的仪器，同时演练在“朱诺”抵达木星之前的一些操作程序。

“朱诺”这趟前往木星之旅历时长达5年。到2013年8月12日，“朱诺”已完成了这趟旅途的一半。当到达木星系统时，它已经飞行了大约19天文单位（天文单位是指地球与太阳之间的平均距离，约为1.5亿千米）。

“朱诺”是“老二”

“朱诺”是迄今为止仅有的两艘环绕木星的飞行器（也称飞船或探测器）中的第二艘，也是第一艘由太阳能驱动的木星飞行器，还是迄今为止从地球出发、飞得最远的由太阳能驱动的飞行器。第一艘木星飞行器是核动力的“伽利略号”探测器，它在1995-2003年期间环绕了木星。2003年9月21日，在太空和木星系统中分别待了14年和8年的“伽利略号”被遥控终结任务，以超过每秒48千米的速度坠入木星大气层，避免了地球生物（细菌）污染木星卫星（木卫）的可能性（至于原因，请参见后文“脱轨和解体”）。

与所有前往外太阳系的早期核动力飞行器不同，“朱诺”完全由太阳电池板驱动。太阳能电池板通常被用于在内太阳系运行的人造卫星，而飞往外太阳系以及更远地方的飞行器通常采用放射性同位素热电发电机。但对于“朱诺”来说，3个太阳能电池板阵列（其中之一是迄今为止部署在行星探测器上的最大阵列）在稳定飞行器和产生动力方面发挥着关键作用。

轨道和轨道环境

“朱诺”很扁的椭圆轨道，把它带入靠近木星（距离木星在4300千米以内）的极地轨道。“朱诺”将多次飞越木星两极，那里有太阳系中最强烈的极光。科学家打趣说，木星是一颗服用了兴奋剂的星球，它的一切都是极端的。接下来，椭圆轨道又将把“朱诺”带到很远的地方，甚至是在卡利斯托（木卫四，木星最亮的四颗卫星之一，是距木星第六远的卫星）的轨道外。2016年10月19日，一次旨在降低轨道偏心率的点火，将把“朱诺”送进一个距离木星云顶2000千米以内的轨道，“朱诺”将在这里展开关键数据采集工作。在这个轨道中，“朱诺”只需14天就能环绕木星一圈。“朱诺”将这样环绕木星37圈，直到任务终结。上述两条轨道都利用了木星附近辐射带中的一个间隙，让“朱诺”能够在一个辐射相对最小的区域中疾飞，从而保证“朱诺”的可运作性。

这些轨道能最大程度减少“朱诺”与木星强烈辐射带的接触，这种接触会损坏“朱诺”的电子元器件和太阳能电池板。1厘米厚的钛金属“朱诺防辐射罩”，也有助于保护“朱诺”。虽然依然会面临强辐射，但是“朱诺”搭载的相机（美国公众可投票决定它的朝向）和木星红外极光绘图仪被设计成能经受住“朱诺”对木星的至少8次环绕，“朱诺”搭载的微波辐射计被设计成能经受住至少11次环绕。与美国宇航局“伽利略号”探测器之前在木星赤道轨道中的绕行相比，“朱诺”将受到的辐射水平要低得多。

插入木星轨道

木星的强大引力，把向着它而来的“朱诺”加速到大约每秒74千米。2016年7月5日，持续2012秒的插入点火让“朱诺”减速至每秒542米，并且把它的双曲线轨道变为椭圆形的木星极地轨道，轨道周期约为53.5天，即“朱诺”环绕木星一圈需用时53.5天。2016年7月4～5日，“朱诺”完成了自己这趟木星之旅中的最难部分——准确进入木星极地轨道，这为“朱诺”在接下来20个月里采集探测数据和它最终的坠毁奠定了基础。

脱轨和解体

按照计划，“朱诺”将在第37次环绕木星期间结束自己的任务，并执行一次遥控脱轨操作，在木星大气层中解体。在近距离探测木星系统的过程中，“朱诺”将不可避免地暴露在木星磁层的强辐射中，这可能导致设备失灵和与木卫（木星卫星）相撞。按照美国宇航局制定的“行星保护指南”，这次遥控脱轨将清除“朱诺”的残骸，消除造成污染的风险。事实上，美国宇航局避免“朱诺”污染的主要目标是欧罗巴（木卫二，它被科学家认为是太阳系中除地球之外最有可能找到生命的地方）。“朱诺”的“壮烈殉职”过程将持续5.5天，在此期间，它将结束与地球的通信，下降到木星大气层中。由于“朱诺”与木星致密大气层之间的极高速摩擦，这艘探测器将彻底解体和燃尽自己。

“朱诺”的科学目标

“朱诺”搭载的整套科学仪器，将执行以下探测任务：

查明氢氧比例。实际上是通过测量木星水的丰度，帮助辨别把木星形成与太阳系联系起来的哪些流行理论可能是正确的。

获取对木星核质量的更好估计值。这也将有助于辨别把木星形成与太阳系联系起来的哪些流行理论可能是正确的。

精确绘制木星引力场地图，以便于分析木星内部质量分布，包括木星结构和动力学特性。

精确绘制木星磁场地图，以便于分析木星磁场来源和结构，以及木星磁场产生于木星内部怎样的深度。这一探测也将有助于科学家了解“木星发电机”理论的基本物理学原理。

对木星所有纬度中压强超过100巴（1巴=100千帕）的深度绘制大气成分、温度、结构、云层不透明度和动力学地图。

描述并探索木星极地磁层和极光的三维结构。

测量由木星角动量造成的轨道参考系拖曳现象，并且有可能对与木星自转有关的广义相对论效应进行一次新的检验。

木星：太阳系最大行星

木星是太阳系中从太阳开始数起、由近至远的第五颗行星，也是太阳系中最大的行星。作为一颗巨行星，木星的质量是太阳的1/1000，但却是太阳系其他所有行星质量之和的2.5倍。木星和土星是气态巨行星，天王星和海王星则是冰巨行星。古罗马人以宙斯神朱庇特之名来命名木星。从地球上观测，木星是亮度仅次于月球和金星的天体。

木星主要由氢组成，但木星质量中有25%是氦，而氦分子数只占木星分子数的大约10%。木星可能拥有由较重元素组成的岩石内核，但与其他巨行星不同的是，木星没有明显的固体表面。由于自转速度太快，木星的形状是扁球，赤道附近有轻微但明显可见的鼓起。木星的外层大气明显分化成位于不同纬度的多个条状地带，在它们相互作用的边界形成涡旋和风暴，其中最著名的是大红斑。大红斑是一个巨型风暴云团（其直径相当于地球直径的2～3倍），17世纪的望远镜就已证实了它的存在，但它迄今为止存在了多久则不得而知。一个暗弱的行星环系统和一个强烈的磁层环绕着木星。木星有至少67颗卫星，其中包括4颗较大的伽利略卫星（它们的得名是因为它们是由意大利科学家伽利略在1610年发现的）。加尼美得（木卫三）是已知最大的木卫，它的直径比一颗行星——水星的还大。

迄今已有多艘机器人飞行器探访过木星，其中最著名的是早期由美国宇航局“先锋”和“旅行者”飞行器对它的造访，还有后来由“伽利略”轨道器对它的探测。2007年2月底，美国宇航局“新地平线”探测器造访木星，利用木星引力提速并变轨到前往冥王星的航向。“朱诺”是探访木星的最新一艘飞行器。计划中的木星系统探测目标中，重点是欧罗巴（土卫二）可能被冰层覆盖的地下海洋。

木星：地球之母？

天文学家的一个猜想是，随着木星摧毁早期太阳附近的超级地球，地球及其近邻行星可能从超级地球与木星的撞击碎片中产生。当木星向着内太阳系移动时，其引力拖曳导致超级地球之间的一系列碰撞，原因是这些超级地球的轨道开始重合。天文学家已经发现了太阳系以外近500个有多颗行星的行星系统。这些系统通常包含一些质量是地球多倍的行星（即所谓的超级地球），它们与自己所环绕的恒星（母恒星）之间的距离比水星与太阳之间的距离还近。有时候，还有与木星质量相仿的气态巨行星靠近母恒星。这些行星系统为天文学家的上述猜想提供了依据。当木星移出内太阳系时，可能会导致包括地球在内的内行星形成。

有一种比较主流的理论认为，当太阳形成后，余下的气体和尘埃中的大多数形成了一颗气态巨行星——木星，其余气体和尘埃则散落到太阳系各处，最终形成其他行星，甚至创造了人类。因此，有科学家认为，有关太阳系起源的线索就隐藏在木星大气层里。

木星生命？

1953年的一项实验证明：闪电加上原始地球大气层中存在的化合物，就可能形成包括氨基酸在内的有机化合物，它们可能充当生命的构建单元。模拟的原始地球大气层中包含水、甲烷、氨和分子氢，而所有这些分子今天仍见于木星大气层。木星大气层有一种强烈的垂直空气循环，可能会把这些化合物输送到下方地区。木星大气层内部的高温会分解这些化合物，阻碍类似地球生命的生命形成。

多数天文学家相信，木星上不可能存在类似地球生命的生命，这是因为木星大气层中的水量太少，而且就算木星内部有固态表面，那里所承受的压力也非常巨大。不过，也有一些天文学家猜想，木星上层大气中可能演化出基于氨或水的生命。但木星系统中更可能存在生命的地方，是在一些木卫可能拥有的地下海洋中。