“长征”五年 “朱诺”进轨

□ 谭 目

“长征”五年 “朱诺”进轨

□ 谭 目

在太空中飞行了近5年的美国“朱诺”（Juno）木星探测器计划在2016年7月4日（美国独立日，这是精心选择的）进入木星轨道，总飞行距离达到28.3亿千米。为此，该深空探测器的主发动机持续反向点火35分钟，使其速度减量达到542米/秒，从而确保被木星引力捕获。进入绕木星两极的极轨道后，大小与一个篮球场相当的“朱诺”将在距离木星云层顶大约5000千米高的轨道围绕木星运行37圈，花费大约20个月左右的时间对这颗巨型气态行星进行全方位的考察，探测木星强大的极光现象，并对木星的起源、内部结构、大气以及磁场等相关数据进行探测，任务计划于2018年2月结束。

“朱诺”或许能帮助人类揭开以下六大谜团：

① 木星是怎样组成的？

② 木星上有多少水？

③ 木星表层之下是什么样的？

④ 木星是否有岩核？

⑤ 木星的磁性来源于哪里？

⑥ 木星上的极光现象。

飞行历程

美国新一代木星探测器——“朱诺”是2011年8月5日升空的。升空后一个小时内，其上的3块太阳能阵慢慢展开。它先围绕太阳飞行了两年，然后于2013年10月回到地球附近做了一次地球借力飞越，然后再用3年时间飞往木星。2013年10月13日，“朱诺”在飞越地球时传回了第一幅地球照片，展现人类家园的壮观景象。通过将地球的引力充当弹弓，“朱诺”的速度从12.5万千米/小时提升到14万千米/小时，从而足以穿过小行星带，进入木星轨道。

在“朱诺”加速通过太阳系时，有三股力量在拖拽着它，太阳、地球和木星都是有影响力的。有时，地球因为足够接近而成了领先者，而在多数情况下太阳是最有影响力的。2016年6月2日，“朱诺”穿越了木星与太阳的引力边界，即跨越了木星与太阳的引力平衡点，此后，木星位于引力驱动位置，即对“朱诺”产生最大影响的天体变成了木星，使得该探测器不再回头，一路飞向它最终的目的地——木星。

2011年8月5日“朱诺”从美国佛罗里达州发射升空

随“朱诺”升空探访木星的3个小玩偶：罗马神话主神朱庇特(右)、朱诺(中)和天文学家伽利略。

“朱诺”携带的一块由意大利航天局提供的伽利略箴言铭牌，上面有伽利略的头像，以及当年伽利略观测木星时记录的笔记原文。

“朱诺”号的飞行路线，飞跃火星轨道后返回太阳系内侧，而后将地球的引力充当弹弓，奔赴木星。

“朱诺”的名字来自于古希腊与古罗马神话，传说中的上天之神朱庇特(Jupiter，即英语中的木星)用云彩遮掩自己，隐藏自己的真容，但他的妻子——朱诺女神却拥有神奇的力量，能够穿透遮掩朱庇特的云雾，洞察其背后的真相。美国航空航天局选用这个名字来为这个木星探测器命名，也是希望这个深空探测器能够拨开遮掩木星的重重迷雾，揭示其背后的真正本质。

有趣的是，“朱诺”还携带3个与木星“关系匪浅”的乐高玩具升空，它们价值1.5万美元，分别代表发现木星4个卫星的意大利著名天文学家伽利略、代表罗马神话中的天神朱庇特、朱庇特的妻子朱诺。与普通乐高积木不同，它们不是塑料，而是由铝加工而成，确保能承受艰苦的太空旅程的同时，不会干扰“朱诺”仪器运作。据悉，美国航空航天局希望通过这个小项目，促进美国孩子对天文学的热情。另外，此次“朱诺”还携带了一块由意大利航天局提供的伽利略箴言铭牌，由环氧基树脂牢牢粘合在“朱诺”的推进器上。

此前，美国曾用“伽利略”等探测器对木星进行研究，但“朱诺”的任务是对木星内部结构进行调查。“朱诺”的轨道将穿过木星的南北磁极，这是此前深空探测器没有抵达的地方，科学家认为这里拥有木星强磁力和高能粒子的环境，能够收集到更多关于木星磁场和重力场、内部环境的数据。

2015年，美国航空航天局批准了“朱诺”的任务更改计划，将轨道周期调整为每14天一圈。轨道的调整意味着探测器要控制进入木星轨道的速度和角度，让探测器上的计算机分配发动机点火时间。修订后的“朱诺”任务将延长到20个月左右，科学家希望给“朱诺”更多的时间收集到木星的数据。

重任在身

“朱诺”这项探测任务共耗资11亿美元，研制工作花了8年时间，是马歇尔空间飞行中心“新疆域” (New Frontiers) 计划的第2个探测器，第1个是“新视野” (New Horizons)冥王星探测器。“朱诺”也是继美国1989年发射过专门探测木星的“伽利略”之后世界第2个专用木星探测器。“朱诺”绕木星轨道飞行37圈，随后也将有意坠向木星，以免同木星的卫星相撞，影响未来对木星的卫星上生命的探测。

“朱诺”计划用一年时间在木星大椭圆极轨道上的辐射带内环绕，这比此前任何一个空间探测器都要靠近木星，为的是知道这个巨大的行星有多少水，什么引发了其如此强大的磁场以及在其浓厚炙热的空气下有没有一个固体内核。

该探测器用于详细探测这一巨型气体行星的内部构造、重力场、极光、大气结构、磁场、是否存在水等情况；调查木星是否存在一个固体内核；绘制木星的高强度磁场图；测量其深层大气中的水分和氨的成分，并对木星上的极光现象进行观察；揭开木星上大量天然气起源之谜、木星的形成和演化过程以及决定木星特性且驱动其演化的内部、大气和磁场之间的耦合，为了解太阳系和周围行星系统的起源提供参考。“朱诺”将大大加深人类对气态巨行星的形成以及它们对整个太阳系作用影响的理解。

“朱诺”于2016年7月4日进入木星轨道示意图

“朱诺”主发动机点火制动，以便进入木星轨道

木星有巨厚的大气层，在这样的条件下氢会被压缩成一种称为“金属氢”的奇异形态，它可能是木星强大磁场的来源。由于这个强大的磁场和高能粒子相互作用，产生了太阳系中最明亮的极光。“朱诺”能直接对这些高能粒子进行取样，并通过紫外波段观测木星的极光现象。对于这样一颗和地球迥然不同行星极光现象的深入研究，将帮助人类更好地理解极光现象产生的本质。

由于云层阻挡，科学家目前看不到木星的深处，但他们想知道木星云层中那些色彩斑斓的云带、大红斑、大白斑究竟向下延伸到多少深度？它们是怎么形成的？“朱诺”将进行木星全球大气运动情况观测，首次测量其深层气流的运动速度，并探测各不同云层深度上的化学成分、温度等数据。

木星形成于太阳系早期，因而能够捕获大量尚未散去的气体物质。但是至于这一过程具体是如何进行的，却存在争议。木星究竟是首先形成了一个原始“星子”(较小的原始行星)并借助其引力捕获周边物质，还是一团不稳定的尘埃云直接产生了塌缩并形成了木星？现在还无法分辨这两个理论孰是孰非。如果“朱诺”能帮科学家加深对这一方面的了解，在未来也将极大地有助于了解其他行星，包括地球最初的形成模式。通过对木星的引力场和磁场的测量，“朱诺”将揭示木星的内部构造和测出其可能存在的固体内核的质量。

超链接：太阳系内形成的首颗行星

这三张“朱诺”照相机拍摄的地球照片是在2013年10月9日“朱诺”近距离飞掠地球期间拍摄的。最左图展示了南美洲南侧的三分之二。在飞掠期间，当探测器向东飞行时，智利的海岸以及安第斯山脉的雪线退行到了地球左边缘的地方。第三张图片展示了带有反光（壮观的高光区）的阿根廷海岸线，这里位于圣马蒂亚斯湾（Golfo San Matias）北部的内格罗河（R io Negro）省；此外还有南极洲上空的云层结构。

科学家们相信木星是太阳形成后第一个诞生的行星，尽管其确切是如何形成的并不知道。其中一个关键的缺失数据就是在这个巨大的比地球绕太阳旋转距离远5倍的行星里面有多少水。木星像太阳一样主要由氢和氦组成的，还有少量的其他物质，比如氧。科学家们相信氧和氢在一起结合成了水，水可以由此次“朱诺”携带的工具之一的微波辐射计检测。

木星是太阳系内体积和质量最大、自转最快的一颗气态行星。木星的主要成分也是氢和氦，其距离太阳平均距离超过7.7亿千米，是地球与太阳距离的5倍多。科学家普遍认为，木星是太阳系内形成的首颗行星。它的成分和太阳极其相似，科学家认为它是太阳系最古老的行星，在太阳形成后就已诞生，对木星的探测有可能使人类了解早期太阳系的秘密。“朱诺”项目首席科学家斯科特·博尔顿(Scott Bolton)说，通过研究木星可以追溯太阳系历史的源头，了解究竟是什么促使行星生成，为什么行星的成分与太阳有区别。

“朱诺”将测定木星稠密和涡动不止的大气中水的含量。水含量较大可能意味着木星最早形成于太阳系更边远的位置，随后才迁移到目前所在位置。科学家们目前还不能确定木星是有一个由重元素组成的固体内核，还是完全由气体构成。“朱诺”将通过测量其磁场和引力场来研究这一问题。

新的亮点

“朱诺”的关键技术有二：其上的星象跟踪仪需在木星严酷的辐射环境中工作；其上的超敏感太阳电池要尽可能多地收集太阳光。尤其是后者，“朱诺”将使用特殊的太阳能电池，它能在木星弱光和低温的环境中工作。

与美国以往发射的“先驱者”、“旅行者”、“伽利略”、“卡西尼”等深空探测器采用同位素热电发生器（RTG）提供能量不同，“朱诺”由3个拖车大小的高效太阳电池翼提供电力，是首个在距地球如此之远的宇宙空间中以太阳能作为主要能源的航天器。与核能发电相比，用太阳能为“朱诺”提供电源既经济又加快了研究的步伐，同时能做到环保。以前飞往火星以远行星的空间探测器从来没有使用过太阳能电池来供电。

“朱诺”是迄今人类发射的依靠太阳能驱动、预计飞行距离最远的空间探测器。木星距太阳的距离比地球远约6.44亿千米，那里的光照强度只有地球的1/25，那么为何采用太阳电池翼供电呢？其主要原因如下：

一是其太阳电池翼尺寸庞大：长8.9米，宽2.7米，共使用18698片太阳能电池，可提供14千瓦的电力，但进入木星轨道后，提供的电力仅为400瓦，只能点亮少量电灯泡。而在地球的轨道上，这些太阳能电池的发电量要比在木星高出35倍。因此，“朱诺”上的科学仪器和机载计算机均高度节能，同时研究团队还为“朱诺”精心设计了环绕木星运行的轨道，使其尽可能多地接收阳光。

“朱诺”展开太阳电池翼

二是从发射到任务末期，“朱诺”能够持续获得阳光的照射，仅在地球飞越的10分钟期间无阳光照射。

三是其太阳电池翼的效率要比之前空间任务采用的硅太阳电池高50%。当“朱诺”快到达木星时，在以每分钟几圈的速度稳定运转后，每绕木星1圈（14天），科学仪器仅需要全功率运行6个小时。

“朱诺”运行在高倾角椭圆木星极轨道

由于“朱诺”可持续处于太阳照射之下，所以几乎无须进行太阳偏离机动。它在木星轨道可使其太阳电池产生最大功率，并维持稳定的热状态。在无太阳照射期间，由2个锂离子蓄电池提供机动电能。

因为木星以及卫星附近具有强大的高能粒子场，辐射强度超过除了太阳以外任何有人类探测器到达过的地方，辐射带由木星赤道开始，穿过木卫二——欧罗巴，向外拓展650000千米。所以，包括太阳电池翼在内的“朱诺”上各种外设和内设，都做了各种屏蔽辐射的处理，以承受强烈的X射线的照射。

为了保护敏感的航天器电子设备，“朱诺”首次携带电子箱，它具备在高辐射环境下持续工作的性能，可满足地球轨道以远强辐射空间环境的防护需求。对辐射敏感的部件被装在电子箱内部，具有高热扩散性的部件装在电子箱侧板外。

喷气推进实验室“朱诺”探测器辐射控制室主任认为：木星的辐射将极大限制探测器的使用范围以及寿命，特别是该探测器中央控制系统辐射屏蔽措施的有效性将在很大程度上决定该任务的成败。为了减少辐射影响，所以太阳能是最适合“朱诺”的功率供给形式。

当然，“朱诺”并不是只靠防辐射罩来减少辐射的影响，其特定的绕木轨道使它经过木星的极区，从而可减少与环木星赤道辐射带的接触时间。同时也使用了已经运用于火星辐射环境的抗辐射措施，当然，火星的辐射环境虽然比地球来得严峻，但是没有木星那么残酷，借鉴火星抗辐射环境上的技术，有助于加强探测器防辐射的技术成熟度。

喷气推进实验室在测试防辐射罩时模拟了真实的木星辐射环境，确保原有的设计能符合空间飞行条件以及木星的轨道环境。另外，“朱诺”上的防辐射装置都经过钴元素的伽马射线测试，从而为“朱诺”提供更为可靠的防辐射措施。

超链接：烈火焚身的“伽利略”号探测器

伽利略木星探测器为我们呈现了木星及其卫星系统的真实一面，1995年进入木星轨道，2003年受控坠毁在木星上。

世界第一个木星探测器“伽利略”环绕木星飞行了34圈，对木星的大气层进行了测量，还发现了木星卫星地下液态盐水的存在证据，并观测到木星卫星上大规模的火山爆发等，获得了大量有关木星的探测数据，最后于2003年9月按程序坠毁在木星上。正是它第一个拍到了木星卫星欧罗巴有海洋的照片，这让地球生命看到了外星生命的希望，因此决定了它最终悲壮焚身的命运！“伽利略”项目负责人克劳迪娅说，让“伽利略”号探测器烈火焚身是件正确的事，因为欧罗巴的环境太珍贵太值得我们地球人保护了，而且欧罗巴的海洋一定会成为未来人类太空探索最聚焦的星球，因为，那里可能存在有地球生命的伙伴--外星生命！

探测仪器

为了探测木星，“朱诺”携带了紫外线光谱仪（UVS）、磁通脉冲磁力仪（FGM）、极光分布试验装置（JADE）、高能粒子探测仪（JEDI）、无线电和等离子体波试验装置（WAVES）等共9台科学探测仪器。

紫外线光谱仪主要由一个特定光学组件和一个电子箱这2个独立组件组成，其中电子箱安装在“朱诺”防辐射罩内。该仪器能在78～172纳米的电磁波频谱内对木星极光进行拍照和测量，可用来描述木星形态和研究木星极光喷射资源。

极光分布试验装置可测量包括电子的偏航角分布、离子组成和离子空间速度的三维空间分布。除了前置放大器，其他电子装备都由位于防辐射罩下的特定电子箱提供，可用于测量低能量电子和离子，从而研究磁气圈两级和木星极光。

微波辐射计(MWR)包括6个天线和接收器，除天线和供应线外，所有的组件都位于防辐射罩内。它从600MHz、1.2GHz、2.4GHz、4.8GHz、9.6GHz和22GHz共6个频率进行测量，可用于探测木星的大气深度和测量一系列高度的热辐射，从而了解木星大气的动力学机制和化学组成，确定木星的全球水资源。

“朱诺”有效载荷系统

高能粒子探测仪上的敏感器分别呈12×160°散开，可对离子和电子分别从6个视角进行观测。两个敏感器单元从垂直航天器旋转轴方向对接近木星过程中各个位置的偏航角进行360°快照，第三个敏感器单元沿着航天器旋转轴方向进行观测，获取一个完整旋转周期内的全部天空（旋转周期约为30秒）。它主要测量电子和离子的能量，从而研究磁气圈两级和木星极光。

无线电和等离子体波试验装置包括一个测量电场的偶极天线和一个磁场探测线圈，安装在防辐射罩内。它在扫描期间有两个频率模式，捕获波形时有一个触发模式。它测量在木星磁气圈两极的原地等离子体波和无线电波。

磁强计由磁通门磁力计、标准氦磁力计和高级恒星罗盘（ASC）组成。所有的敏感器都安装在位于太阳电池翼端部的磁强计吊杆上。通过内外的一个磁场测量，可以过滤掉卫星自身的磁场影响。所有的磁强计电子元件都安装在飞行系统的防辐射罩下方。它将用于绘制首张详细的木星磁场图，并考察木星磁场在其两极地区的分布状况，对于木星磁场的考察将极大地帮助科学家们了解木星的内部结构信息。

可见光相机（JunoCam）主要由光学头、探测器和前端电子器件的相机头，以及图像数据缓冲器和直流电-直流电转换器的电子箱组成（都安装在防辐射罩内），它用来获得木星两极地区的高分辨率全景图像，拍摄木星云顶彩色图像，这将有助于进行目视观察，选定观测目标以及对公众发布精美的木星图像。

木星红外极光绘图仪（JIRAM）是一个红外光谱仪和成像仪，主要通过微波辐射计（MWR）和磁力配套试验装置（极光分布试验装置、高能粒子探测仪、紫外线光谱仪和磁强计）实现。其光学头和电子器件可适应防辐射罩之外的环境。它主要获取木星的高分辨率图像，研究2.0～5.0微米范围内的大气光谱，对木星上层大气进行红外和分光分析，提供木星极光和大气动态信息，这同样将有助于科学家们了解木星大气的结构情况。

先进恒星导航仪(ASC)将帮助进行绘图工作，并帮助“朱诺”探测器在茫茫太空中保持准确的姿态指向。

“朱诺”还将使用其通信设备考察木星的重力场，这是其“重力科学实验”项目的一部分。通过发射信号回地球并观察其多普勒效应，科学家们将能够考察木星重力场对信号的影响。

超链接：揭开朱庇特的神秘

美国加州理工和J PL的天文学家观测木星冰卫星欧罗巴表面发射出的光谱，强有力的证据显示，欧罗巴表面下巨大液态海洋中的盐水喷出表面，意味着这是一个富化学环境，增加了欧罗巴海洋存在生命的可能性。欧罗巴表面下的海洋被认为覆盖了整个星球，位于薄冰壳下，有100千米厚。

木星质量相当于318个地球，体积更是地球的1300倍以上。木星距离太阳比地球远5倍，每4331个地球日(约合11.86年)围绕太阳公转一圈。作为一颗气态行星，木星由约88～92%的氢和约8～12%的氦组成，还有极微量的其他气体，包括甲烷和氨。木星最大的卫星是4颗伽利略卫星，它们都是在1609年或1610年间由意大利天文学家伽利略首先发现的。这是人类首次发现除地球之外有一个天体围绕另一个天体运行。木星本身拥有绚丽的云带，其中含有结晶态的氨，其大气中的风速高达每秒100米。而木星大气中最广为人知的当然就属大红斑了。人们已经观测这个巨大的气旋长达180年，它却从未消退过。

至今已经有多个空间探测器飞向或接近了木星及其卫星，包括先驱者10号、11号、旅行者1号、2号、“伽利略”、“尤利西斯”、“新视野”空间探测器，其中“伽利略” 是真正意义上的第一个木星探测器，其他是顺道观测，走马观花。美国航空航天局寄希望借助“朱诺”上最新的仪器揭开木星云层覆盖下的秘密，进一步研究木星的起源和进化。美国航空航天局为“朱诺”木星探测项目制定的口号为“揭开朱庇特的神秘”。

（责任编辑 张恩红）