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朱诺号如何探测木星？
经过5年的漫长飞行,“朱诺”号木星探测器终于在7月4日进入木星轨道,但“朱诺”号上的科学仪器并未启动,这时的轨道很大,每53天绕木星一周.到8月下旬,“朱诺”号启动携带的科学仪器开始近距离探测木星.到10月,“朱诺”号将进入一个每14天绕木星一周的稳定轨道,然后从事长达一年半的木星探测.那么,“朱诺”号将如何探测木星呢？与此前的探测器相比,“朱诺”号又有哪些非凡之处呢？
木星云下的秘密
木星被称为“朱庇特”,在罗马神话中是“众神之王”的意思.木星当之无愧是太阳系行星家族中最有影响力的“王者”：木星的质量是太阳系所有行星质量总和的2.5倍以上,它可能将很多小行星和彗星带到了太阳系,为地球带来了水,也可能抢夺了不少原本属于火星的物质,还可能把天王星和海王星挤到了太阳系的外侧.木星还是一个巨大的“时间胶囊”,其气体物质记录了40多亿年前行星形成时太阳系的环境.
人类研究木星的历史已超过4个世纪,已有8艘探测器先后造访过它,然而,木星厚重的气体云隐藏了它的内部信息,所以有关行星形成的一些最需要了解的秘密现在依然不得而知.“朱诺”号木星探测器正是为改变这种状态而飞向木星的.假若一切顺利,“朱诺”号将测量木星云下隐藏着多少水,将绘制木星的内部结构,还将完成人类首次对木星极区的观测.
多数科学家都是用望远镜和探测器研究木星表面的云层以了解木星,所以对木星的内部并不十分清楚.可能它有一个固体的核,作为行星成长的“种子”,在核的可能有一个液态的氢海,一并组成一个庞大的导电体,制造了木星影响广泛的磁场.人们猜想,在木星的云层下会存在丰富的水蒸气.这些问题都是“朱诺”号要研究和发现的.
来自这艘新探测器的研究数据还将帮助人们了解46亿年前木星是如何形成的.科学家认为,木星形成时吸收了周围的气体,并使之形成了今天的木星；木星还可以看作是一种材料的样本,这种材料在太阳诞生时就围绕在太阳周围,然后,它们储存在了大大小小的“仓库”里,这些“仓库”就是围绕着太阳运行的行星.
在行星形成的过程中,水起了关键性的作用.探测木星气体中的水可以让我们知道木星是在太阳系的什么地方形成的,还可以告诉我们早期太阳系的环境是怎样的.在太阳系里,巨大的行星形成于离太阳很远的地方,那里温度很低,水凝结成冰,大量的固体颗粒也存在于那里,所以木星开始的时候可能是一个由岩石和水冰组成的球,质量是地球的好几倍.这个球可能吸引了附近大量的氢和氦,于是形成了一颗巨大的行星.
“伽利略”号木星探测器曾试图确定木星大气中水的含量,它靠近木星释放了一枚子探测器以探测大气中的温度、压力和化学组成.这枚子探测器进入木星大气的深度超出了科学家们的预期,然而它下落的位置很不理想,恰巧进入到一个被科学家称为“热点”的地方,相当于木星上的“撒哈拉沙漠”. 那里十分干燥,当这枚子探测器运行到有木星水存在的地方时,它已停止了传送数据.
科学家认为,如果再试一次,在一次太空任务中在木星的四周释放多个探测器,那么它们或许可以进入到更深的地方,了解到更多的未知.这促成了“朱诺”号木星探测计划的形成.
奇异的绕木轨道
从木星诞生之日起,它就一直在冷却.在冷却的过程中,木星也在释放微波能,而水则擅长在特殊频率下吸收微波能.“朱诺”号多次绕木星飞行,在这个过程中,它将记录在不同频率下微波的强度,从而让科学家们推算出木星云下隐藏着多少水.
然而,仅仅探测水并不能回答有关木星诞生的所有问题,科学家还需要知道,木星是否拥有一个固体的核.一种观点认为,一颗巨大的行星要形成,它首先需要一个由岩石和冰组成的“种子”,然后在“种子”的吸引下形成膨胀的大气；另一种观点认为,它们是先有一团由氢和氦组成的气体,然后在自身重力的作用下坍塌成气体行星,这种情况并不需要固体的核.“朱诺”号要终结这两种观点的争论,当它围绕木星运行时,速度会时快时慢,这是木星引力的大小变化所引起的.通过追踪“朱诺”号的速度变化,科学家们能算出木星内部质量的分布情况,这将告诉人们木星的内部是否真的有一个密集的核.
和其他早期环绕过木星飞行的探测器相比,“朱诺”号有一个优势,那就是它的飞行轨道更靠近木星并且和木星赤道相垂直,这将使它能扫描木星从低纬到高纬的所有地区,包括南北两极.此前的“伽利略”号只能和木星保持相当距离,并且从未远离木星的赤道,而“朱诺”号则可以全面了解这个星球的内部情况.
木星有高能辐射带,那里的带电粒子环绕着木星,它们对探测器上的仪器会产生不良影响.为了解决这个问题,“朱诺”号上的仪器都封闭在一个重200千克的钛制穹顶状保护装置
中,探测器和外部世界的联系只能通过沉重的屏蔽电缆完成.
“朱诺”号携带有照相机、分光计、磁力计以及一些探测等离子体、宇宙微粒的仪器,当然,它还拥有一个微波传感器和一架天线.科学家的计划是让这艘探测器靠近木星,然后迅速离开,如此不断地重复.每一次绕木飞行,它大部分时间都离木星较远,以远离辐射的威胁.
木星探索,任重道远
木星的自转轴和它的运行轨道是垂直的,这意味着它的两极从地球上几乎看不到.以前绝大多数访问过木星的探测器都靠近赤道运行.1974年,“先驱者”11号在离开木星前往土星时,为木星照了一个模糊的北极快照.到了1992年,太阳探测器“尤利西斯”号在前往太阳的途中飞越了木星的两极,然而“尤利西斯”号没有携带照相机,虽然它靠近木星的距离和“朱诺”号相差无几,但它一无所获.
此次,“朱诺”号将使科学家们得以近距离地观察木星极光,这种极光和地球上的极光相同,但亮度比地球上的极光强1000倍.极光来自太阳风和行星磁场的相互作用,所以木星的极光将为科学家们提供一个考察行星磁场的途径.
“卡西尼”号土星探测器曾于2004年从土星发回数据,通过这些丰富的数据,人们发现了很多令人惊讶的现象,比如在土星的极区存在很像飓风的气旋,它的中心像一个正在放水的排水孔.这暗示在木星的极区,可能也有很多新奇的现象等待着人们去发现.科学家很想知道,存在于土星极区的现象究竟为土星所特有,还是巨行星上的普遍现象？
“朱诺”号没有像“伽利略”号那样使用核能,而是依靠3个10米长的太阳能电池板满足探测活动中对电能的需求,这在人类的木星探测活动中是史无前例的.到2018年2月,也就是抵达木星一年半以后,“朱诺”号将扎进木星大气中结束使命,这样的方式同“伽利略”号结束使命的方式是一样的.科学家不想让“朱诺”号撞上木星的冰卫星,如木卫二等,因为那里的地下海洋中有可能存在生命,外来的“朱诺”号可能会污染那里的地外生命系统.
木卫二是木星任务的下一个目标.2020年左右,美国国家航空航天局将发射另一艘飞往木星系统的太空船,它将反复地飞掠有冰冻外壳的木卫二；而欧空局的“木星冰月探测器”也计划于2022年发射并将于2030年抵达木星.“木星冰月探测器”将研究木星系统中所有有可能存在生命的卫星,它还将最终进入木卫三的环绕轨道,这颗卫星是太阳系中最大的卫星.
对木星的探测将不仅仅有助于回答有关巨行星的诸多问题,还有助于了解地球生命的起源.当“伽利略”号的子探测器进入到木星大气中后,它发现那里有丰富的生命元素,如碳和氮等.这类元素是生命组成的关键部分.在早期的太阳系中,这些封存于行星中的生命元素究竟经历了什么？“朱诺”号的一些发现将能帮助人们解开这个疑问.
【责任编辑】庞 云
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