“朱诺”号将揭开木星神秘面纱

许林玉/编译

“朱诺”号将揭开木星神秘面纱

许林玉/编译

·7月4日，美国国家航空航天局的 “朱诺”号探测器到达其五年旅途的终点，开始环绕木星飞行。

美国国家航空航天局（NASA）有一个惯例——将高风险控制操作安排在美国独立日。1997年7月4日中午时分，火星探路者计划将第一部火星探测车“索杰纳”号（Sojourner）成功降落在火星上。11年前的同一天，“深度撞击”号（Deep Impact）探测器与坦普尔1号彗星成功相撞，该成就被天文学家伊万·威廉姆斯（Iwan Williams）描述为“一只蚊子与波音747相撞”。而在今年7月4日，就在太平洋标准时间晚上9点之前，发动机燃烧35分钟之后，美国国家航空航天局的“朱诺”号（Juno）探测器顺利结束五年旅程，开始环绕木星飞行。对于位于加州帕萨迪纳市喷气推进实验室的工程师们来说，这一天不仅是独立日，更是入轨日。当操作团队确认燃烧按原计划进行时，任务控制组的所有成员起立鼓掌。

任务的主要研究者斯科特·博尔顿（Scott Bolton）此前曾说：“这是一次一次性交易。”当“朱诺”号的发动机燃烧时，不仅其飞行速度比任何人造物体都快——超过165 000英里每小时，而且搭载的电子器件是在被喷气推进实验室的海蒂·贝克尔（Heidi Becker）称为“喷射辐射子弹”的环境下运行的：充电电子以接近光速的速度在木星的磁力线上进行螺旋运动。这是自任务启动以来风险最高的时刻。

“与木星相关的一切都是最极端的。”博尔顿说。他的同事、“朱诺”号项目负责人里克·奈贝肯 （Rick Nybakker）对这一看法表示赞同，他说：“这是太阳系中仅次于太阳的最危险的环境。”1995年，当美国国家航空航天局之前的木星计划“伽利略”号到达木星时，仪器被严重破坏，而在一些情况下，是被辐射摧毁性地破坏的。除此之外，关键的天线也遭受部分损坏，这意味着“伽利略”号只能完成70%的科学任务，留下了许多关于木星的未解之谜。

博尔顿说，面对这些挑战，美国国家航空航天局的应对方案是“装配一辆装甲坦克”。“朱诺”号的确是一个极其庞大的航天器，大约有一个专业的篮球场大，外观有点像发出辐射警报的三叶草，一个六边形齿轮连接着三个用太阳能板覆盖的机械臂（相比之下，美国国家航空航天局于去年到达冥王星的“新视野”号探测器则只比一架音乐会三角钢琴稍大一些）。“朱诺”号的命令和数据处理电子器件被安置在一个像越野车后备箱大小的中央钛制外壳中。空外壳重500磅（约227千克），满载仪器时可将承受的辐射降低800倍。贝克尔说，在“朱诺”号执行任务期间，钛壳外犹如照射着一亿多条牙科X射线，是人类一生允许照射辐射量的数十万倍。

“朱诺”号团队预计，4日进行入轨控制操作时，尽管探测器带有防护，但辐射可能会导致探测器的制导计算机短暂中断并重置，进而中断发动机的工作，并将整个操作弄得一团糟。木星距离地球5.4亿英里，无线电信号从木星回传至地球需要48分钟，所以当喷气推进实验室的工程师发现关机时，进入木星轨道的时机可能就已经错过。用奈贝肯的话来说，“我们不会得到振奋人心的消息。”为此，他们为这部分任务创建了一个特殊的覆盖命令，迫使发动机在几分钟后重新启动。该安全系统被证明没有必要，但为了为“朱诺”号在8月27日到达距离木星最近的位置做好充分准备，该团队设计了另一个仪器的自动重启——这一次探测器的重要仪器之一：磁强计。根据博尔顿的介绍，绘制木星磁场地图是本次任务最具挑战性的科学目标。重启计划能够确保即使美国国家航空航天局暂时失去了 “朱诺”号上所有仪器的数据，磁强计也能及时恢复数据以执行其功能。

博尔顿和他的团队希望这能够对木星强大磁场进行首次精确而详细的三维探测。这颗气态巨行星的磁气圈比地球强近两万倍，因而其壮观的极光比我们整个星球都大。木星磁场可辐射进入广袤的太空，如果它能够发出可见光，木星在夜空中会有两个月球那么大。“伽利略”号捕捉到了令人惊叹的旋涡状氨风暴表面图像，而“朱诺”号的任务是探测气态面纱下的木星核心。科学家们认为，木星的强大磁场是由氢气在深海内部剧烈搅动产生的。由于压力太大，氢气变成了闪闪发亮的液体。“它像一面镜子，可以反射光线，所以如果你沉浸其中，什么也看不见。”2011年，加州理工学院的大卫·史蒂芬森（David Stevenson）在“朱诺”号发射一周年庆典上解释道。因此产生的磁场的详细地图将为研究人员提供所需的线索，帮助他们了解这个隐秘海洋的深度和气流。

如今，还没有人确切知道木星的内部结构——甚至都不知道其核心是像太阳系其他行星那样的岩石内核，还是像太阳一样的气态核心。科学家们用以解决这个问题的方法尤为巧妙。它需要跟踪监测“朱诺”号探测器与美国国家航空航天局设在地球上的天线系统深空网络（Deep Space Network）之间无线电传输的微小变化。该机构第一次将所有九条天线指向其位于莫哈韦沙漠和澳大利亚堪培拉的设备，而且方向都指向“朱诺”号探测器。探测器的速度由于受到木星重力的影响，微弱的增加或降低都会在无线电传输的频率中反映出来，如同汽车的多普勒频移鸣响会告诉你它是在向你开过来还是与你背道而驰。如果木星的核心是岩石，“朱诺”号在从两极到赤道的旅途中会提前一些时间加速，由此产生的多普勒效应将使它的无线电信号更强。

同时，“朱诺”号探测器是在3 000英里内的木星云层飞行，因此能够测量从厚厚的大气霾雾中逃逸的微波辐射，从而探测出木星上的含水量、著名的（并且正在缩减的）大红斑的深度等。其目的是回答木星如何形成以及外星世界如何形成的问题。博尔顿说道：“我们真正想要了解的问题是太阳系中的行星是如何形成的？”木星正是第一颗形成的行星。它消耗了太阳形成后遗留下来的大部分氦和氢，但根据之前的观察，我们知道木星还包含其他一些元素，包括碳和氮等构成地球生命基础的元素。博尔顿说：“在太阳的形成和木星的形成之间应该发生过一些情况，才使后者的重元素含量丰富。但是我们还不知道是什么。”在未来几年，科学家希望通过分析“朱诺”号探测的数据解决这一谜题，从而了解类地行星形成的早期过程，并最终了解地球形成的早期过程。

在接下来的时间“朱诺”号将收集数据。由于探测器每隔14天环绕木星飞行一周，美国国家航空航天局预计辐射会开始损坏搭载的仪器：根据设计，任务将在搭载计算机变得极不可靠前结束完成。木星的一些卫星可能蕴含生命，所以美国国家航空航天局不希望因这个地球的“偷渡者”而污染它们。因此，在“朱诺”号于2018年2月完成第37个轨道的飞行之后，它将最后一次燃烧发动机，并径直飞往木星，从而确保在炽热的木星上解体。即使在走向生命尽头之际，“朱诺”号仍将继续捕捉数据。博尔顿说：“拍摄仪器JunoCam可能从云层之下拍摄到极具价值的图像。但由于探测器置身于木星的大气湍流中，其天线可能会摇摆不定，因此无法将照片回传。太阳系中的这颗神秘的巨行星仍将保守一些秘密。”

［资料来源：The New Yorker］［责任编辑：丝 丝］

本文作者尼古拉·特威利（Nicola Twilley）是《纽约客》的撰稿人，《食用地理》博客的作者和Gastropod播客（关于食物历史和科学的播客）的主持人之一。