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NASA“朱诺”探测器成功进入木星轨道

时间:2019-03-22|栏目: 天文 • 物理 |点击:3

    NASA“朱诺”探测器成功进入木星轨道

    【图片说明】艺术家所描绘的“朱诺”在木星附近展开太阳能电池板面向太阳和地球的景象。抵达木星轨道后,探测器将开始深入研究木星的云层。图片来源:NASA/JPL-Caltech

    说起来你可能不信,除了太阳,没有哪个天体对地球生命的影响会大过木星。太阳系之所以能成为今天这样的面貌,很大程度上也拜木星所为。在太阳系形成的早期,木星这样的气态巨行星四处游荡,大刀阔斧地为地球扫清了周围的空间。它可能是早期地球上冰的来源,同时还保护了我们免受彗星毁灭性的撞击。然而,到现在为止,木星本身对我们来说很大程度上还是个谜。它是像其他行星一样缓慢形成的,还是像小型恒星那样在引力作用下“咻”的一下就产生了?如果它在形成后位置还有过变化,那它最初形成的位置在哪里?

    我们可能很快就会知道答案了。北京时间7月5日凌晨2点,“朱诺”号探测器掠过太阳与木星的引力平衡点,越过木星最外层的卫星木卫四。北京时间上午11时18分,“朱诺”开启主发动机,进行点火减速,成功进入木星运行轨道,成为继1995年的“伽利略”号以来第二个进入木星轨道的探测器。“伽利略”号探测器在轨期间曾多次近距离观测木星的各个卫星,直到2003年按计划坠入木星大气。而这次“朱诺”将在距木星表面5000千米的云端绕行37周,以木星本身为主要目标,系统地进行观测。“伽利略”号探测器使用的是核动力,而“朱诺”的电能直接来自于太阳,这也是第一个在外太阳系使用太阳能的飞行器。

    “朱诺”安装了测量行星引力分布的设备,为了了解木星的内层结构,特别是确定其是否有岩石构成的核心——如果有,就表明木星是以缓慢的过程形成的。测量木星的元素组成,则可以帮助科学家确定其最初形成时的位置。1995年,“伽利略”号释放进木星大气的小型探测器表明,木星大气中像氮和氩这样的重元素异常丰富,这可能表明木星是在这些元素较为丰富,即更远离太阳的位置形成的。

    但是,在木星汹涌激荡的大气中,水蒸气,即氧元素(同为重元素)的含量却十分匮乏。要么是“伽利略”号探测器碰巧掉在了较为干燥的云上,要么就是理论学家并没有彻底理解木星是如何获取这些重元素的。由于木星云层太过浓厚,地面上的望远镜也没能帮上太大的忙。而这次,“朱诺”的微波辐射计能够探测木星表面500千米下云层内的含水量。

    木星的磁场源要比地球强20000倍,虽然木星半径比地球大得多,距离削弱了强度,但是在云层顶端木星的磁场也要比地球表面强20倍。在距离太阳如此遥远的地方,这样的磁场显得过于强烈了。事实上,早在6月25日,“朱诺”距离木星还有800万公里时,就已经进入了它的磁场范围。那么,它的磁场是如何产生的?据推测,木星可能是一个“金属巨行星”,而非一个纯粹的“气态”巨行星,其内部的巨大压力将氢转化为一种金属流体,从而产生这样的磁场。“朱诺”所携带的磁强计将测量它的磁场,并找到它的源头。在任务结束时,我们可能对木星磁场的了解,可能要比地球还要深刻。

    今天的点火只是进入轨道的第一步。主引擎在北京时间上午11时18分运行35分钟,这将把“朱诺”的速度从58千米每秒减到原来的百分之一左右,以被木星的重力捕获。开始的时候,探测器将在周期为54天的轨道运行,与木星的最近距离是4500千米,最远距离810万千米。在这期间,为了防止干扰,所有的科学仪器都将关闭,主天线也会指向远离地球的方向,我们能接收到的就只有从备用天线发出的“哔哔”声。这个状态将持续到7月6日,那时探测器才会恢复采集数据。

    经过两次变轨,引擎将在10月19日再次运行22分钟,把探测器调整至距木星330万千米,周期为14天的轨道上,这时,主要的科学任务将开始进行。和普通探测器不同,“朱诺”的轨道将通过木星两极。它从北极向南运行,以4000到8000千米的高度通过赤道并加速,收集两小时的数据,然后从南极掉头重新飞向北极。推进器将在每次运行一周后调整轨道,以扫描整个星球。探测器最初的4次轨道位置依次间隔90度,以便获得粗略的全球地图,在随后的变轨过程中持续补充精细部分。

    这种来来回回的运行轨迹能够保证探测器在飞行过程中的安全,不受木星赤道周围内辐射带(inner radiation belt)的影响。“这就好比木星外面有一个甜甜圈,我们就在甜甜圈中间的洞飞来飞去。”艾奥瓦大学WAVES磁层设备团队的Bill Kurth解释到。为了更好地起到保护效果,所有的科学设备都在1厘米厚的钛保护罩下工作。

    虽然有这些保护,但辐射仍然是这项耗资11亿美元计划的最大限制因素,事实上这也是之前之前科学家没有尝试类似计划的原因。“这是太阳系内最恶劣的环境。”博思艾伦咨询公司的太空历史学家Matt Bille说。如果到2018年2月探测器主要任务结束时,它所携带的设备还没有完全损坏,团队希望它继续运行下去,并逐渐降低近地点,最终像2003年伽利略号那样在木星大气中焚毁,这样它就不可能继续在木星轨道上运行,污染木星的卫星了——要知道,木星的好几个卫星都有可能存在生命。

    撰文乔治·马瑟(George Musser )

    翻译牛天宇

    审校丁家琦

    原文链接:https://www.scientificamerican.com/article/juno-faces-moment-of-truth-at-jupiter1/

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