郑佳文
2016年7月5日,全世界都被一颗行星刷屏了。是朱庇特(Jupiter),太阳系八大行星中最大的木星。美国国家航天航空局(NASA)当天证实,在接近5年的飞行之后,“朱诺”号(Juno)探测器成功进入木星轨道。距离第一任“伽利略”号结束木星探测任务,人类和木星已经分离了13年。
人类对木星的了解有多少?“朱诺”号到达木星轨道有何意义?了解木星对人类有多重要?本文将回答这些问题。
1、木星有什么特点?
木星是太阳系八大行星中体积最大、自转最快的行星。它的直径约为14.3万公里,体积是地球的1321倍,质量是地球的318倍。木星是个气态巨行星。之所以体型庞大,是因为木星具有吞噬作用,比如它就曾吞噬过一个10倍地球大小的行星。木星是如此庞大,以至于太阳系内所有其他行星都可以被塞进木星的“大肚子”里。
2、木星是如何形成的?
45亿年前,太阳系所在的位置是一团浓厚的气体尘埃云。在万有引力的作用下,粒子加速凝聚,最后整个质量坍缩成一个致密的天体(太阳)。太阳形成后,剩下的气体和尘埃变成一团围绕太阳的气云;经过粒子互相碰撞再组合,形成了围绕太阳旋转的行星,而木星就是太阳的第一个“孩子”。
木星所在之处被称为“冻结线”。在那里,大量气体和尘埃凝结后形成一个巨大的天体,不断吞噬周围星盘里的氢。有一种假说认为,在太阳系初期,木星存在固体内核,后来由于吸收了大量气体和尘埃,木星内部气体在快速的自转下产生高温,将固体内核融化了。因此,木星现在没有实体表面,而是一颗由90%的氢和10%的氦及微量的甲烷、水、氨水和二氧化硅组成的气态行星。
由于与太阳的构成元素相似,木星又被称为“小太阳”或“褐矮星”(失败的恒星,质量介于最小恒星与最大行星之间的天体)。木星及其数量众多的卫星又构成了一个小型的太阳系,有科学家甚至相信木星的卫星中存在宜居地。
3、木星上有什么奇特现象?
木星上最奇特的现象莫过于“钻石雨”。科学家发现,木星大气中的甲烷在强闪电的作用下会变成煤灰态的碳;在煤灰下降的过程中,逐渐增强的气压会让碳转化为石墨;下降4000英里后,瞬间的高温高压又会让石墨转化为金刚石。
不过,遗憾的是,金刚石继续下降两万英里到木星内部后,内核的高温高压可能让金刚石再次熔解成一片由液态碳构成的汪洋。
4、在“朱诺”号之前,有其他探测器进入木星轨道吗?
在“朱诺”号之前,同样由NASA发射的“伽利略”号曾在1995年进入木星轨道。“伽利略”号1989年从地球出发,历经6年到达木星轨道。在木星工作的8年期间,“伽利略”号围绕木星运行30多圈,向地球发送了万余张照片。通过“伽利略”号,人类第一次清晰地看到木星及其表面的细节,科学家第一次对木星的大气进行直接测量。
到2003年,“伽利略”号燃料消耗殆尽。由于“伽利略”号在发射前未经过消毒无菌处理,为了不让“伽利略”号给木卫二带去可能的生命体,“伽利略”号用最后剩下的燃料撞向木星,完成了使命。自此,人类和木星一别13年。
5、“朱诺”号的命名有何深意?
朱诺是希腊罗马神话中天神朱庇特的妻子。朱庇特曾恶作剧地在身体周围制造一层薄雾将自己藏起来,其他神和人都无法看见被薄雾包裹的他,只有朱诺能够透过薄雾看到朱庇特。科学家们希望通过“朱诺”号去“驱散”包裹着木星“朱庇特”的薄雾。
6、“朱诺”号怎样到达木星轨道?
2011年8月,造价高达11亿美元的“朱诺”号被发射进入地球绕太阳的公转轨道。绕太阳狂奔近两年后,2013年10月,“朱诺”号回到地球附近,利用地球的引力弹弓效应进一步加速,进入火星轨道。接着,“朱诺”号沿着火星轨道跑一圈后,开始冲向木星。2016年7月5日,在历经4年11个月、跨越28亿公里后,“朱诺”号终于到达木星轨道。
7、“朱诺”号将面临什么样的任务环境?
这次任务被媒体称为宇航界最胆大、最艰难的一次任务。首先,木星是太阳系里最大的行星,这里有着太阳系最强大的磁场和辐射。“朱诺”号靠近木星后,将承受高达2000万拉德的辐射,而太空中的辐射只有0.39拉德。
其次,木星自转速度很快,自转一圈只需要不到10小时。在高速的自转下,各种被离心力甩出的物体都将成为木星对外发射的“武器”,“朱诺”号有可能遭遇无妄之灾。
除此之外,木星被大大小小60多个卫星天体包围,这些天体的引力可能对“朱诺”号的飞行轨道产生影响。怎样精确地穿过它们、怎样修正运行轨道,都是科学家面临的难题。
8、“朱诺”号携带着什么特殊装备?
要保障“朱诺”号顺利执行任务,科学家首先要解决的是能源问题。木星距离太阳5.205天文单位,日照量为地球的1/25,因此,“朱诺”号配有3个太阳能电池板,每个电池板长达20米。
其次,木星的强磁场和辐射会让普通探测器彻底报废。为此,科学家制作了一个1厘米厚、重达400磅的钛合金防护罩,将“朱诺”号所有的科学仪器都保护在下面。
此外,科学家还为“朱诺”号设定了一个拉长版的椭圆轨道,这样可以避免探测器与木星辐射带长期接触。
9、我们可以期待“朱诺”号有什么发现?
按照NASA的规划,每隔14天,“朱诺”号将环绕木星一周。每绕过木星极点,“朱诺”号的轨道就会发生一点变化,以便扫描不同的区域,全景探测木星。
首先,“朱诺”号将从木星的北极点观测极光,计算木星云层里的含水量,检测木星大气的具体成分,测量木星环的宽度。它呈现的木星磁场图像,将帮助科学家研究木星的内部动力学,了解木星表面的大红斑和强对流云如何形成。
其次,“朱诺”号还将验证木星是否存在固态核心,让科学家进一步了解这颗巨大的气体行星如何形成。“木星是太阳系第一颗行星,起源于太阳形成后的残留气体和尘埃,而地球又起源于木星形成后的残留气体和尘埃。”NASA说,“也就是说,了解木星的构成对揭示太阳系甚至地球的起源至关重要。”
最后,“朱诺”号对木星重力的研究有助于人类了解地球的宇宙环境。美国科学家认为,木星的强大引力还曾将另一颗神秘的巨大行星踢出太阳系,木星因此跳跃到更高的轨道,这才为地球和火星的存在制造了条件。
10、“朱诺”号的结局如何?
尽管拥有多重保护,“朱诺”号依旧会在木星高辐射、高压强下逐渐瘫痪。在环绕木星7圈后,木星磁场会彻底摧毁“朱诺”号搭载的相机。届时,它将在“全瞎”的状态下利用其他探测器探测木星的磁场、重力和等离子场等等。
和前任“伽利略”号一样,在环绕木星32圈、跨越2700英里后,科学家会在2018年2月左右让“朱诺”号撞向木星,在木星的大气中毁灭。
(李志刚摘自《看世界》)