人类窥探木星?我们要感谢一个注定早逝的悲剧英雄

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07-06 09:19 中科院物理所 (cas-iop) 学术

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  以古罗马神话中最大的神朱庇特(Jupiter)命名的木星,注定不是一颗平庸的行星,而敢于窥探众神之王的朱诺号,也注定成为一个史诗般的悲剧英雄。

  "如果你将太阳系中的一切全都放一起(不算太阳),它们全都可以被塞进木星内部。"无论从体积和质量上来说,木星都是太阳系最大的行星。直径大约是14万公里,相当于11个地球。如果换算成体积,那就是地球体积的1300多倍。有一种直观的方法领略木星的庞大,那就是假设把木星放到月球的位置上去。如果真是如此,木星将会占据大片夜空,非常震撼人心,甚至可以说有些恐怖。


  木星拥有太阳系各大行星中最强大的磁场,其强度比地球磁场强2万倍以上。在木星附近强大磁场作用下,大量带电粒子被困在其中,形成剧烈的辐射带,这仿佛在太阳风的洪流中撑起了一把巨伞,其中主要是大量的电子和各类离子。这些强大的粒子流持续轰击着木星的卫星和光环。木星磁层在朝向太阳的方向延伸100万~300万公里,而在背离太阳的方向延伸则超过10亿公里。


  就是这样一颗让人恐惧的无法接近的行星,人类天生的好奇心却偏要看清它的真面目。朱诺在神话里是朱庇特的妻子,据说朱庇特喜欢恶作剧,用云雾把自己隐蔽起来,而他的妻子朱诺是唯一能透过迷雾看到他真身的神。这也是今天全世界关注的主角:朱诺探测器名字的由来,NASA希望朱诺号能为人类能一窥木星的本质。

  为了这一天,"朱诺"已经在茫茫银河系中飞行了近5年。


  2011年8月,朱诺号探测器发射升空,这颗宇宙飞船并不是径直向木星飞去,朱诺号在摆脱地球引力后仍然受到太阳引力的作用。两年后,朱诺号再次光临地球,利用地球引力的"弹弓效应"获得加速,进入更高的轨道。从那时起,朱诺号真正地开始飞向木星。


  到了2016年6月底,朱诺号进入木星的引力范围,激动人心的时刻到来。7月5日11:18分,朱诺号点燃引擎进行35分钟的减速,并变成一颗木星的"人造卫星",幸好朱诺成功了,如果失败了,它永远失去进入木星轨道的机会,成为茫茫宇宙中飘荡的亡魂。

  经过一系列的变轨,今年11月它将开展予定探测任务,考察任务预计将在2018年2月20日结束,由于朱诺可能污染木星卫星,NASA行星保护守则不允许它坠落木星卫星,因此朱诺号的结局只能是主动受控坠入木星大气层焚毁。


木星究竟是一颗怎样的行星?

木星和太阳的距离大约是日地距离的5倍,木星绕太阳一周大约是12年,恰好与一个生肖周期相同,所以在中国古代被叫做"岁星"。太阳光从太阳到木星需要大约43分钟。因为距离太阳更远,火星接收到的阳光也比地球上黯淡许多,只有地球上阳光强度的4%。这对朱诺号太空船是一大考验,不过朱诺号拥有面积高达60平方米的电池板,足以为飞船仪器提供420瓦的电力。


  木星的质量大约相当于太阳的千分之一,但对于其他"兄弟"卫星而已是个不折不扣的庞然大物。它的质量相当于太阳系其他行星质量之和的2.5倍,地球质量的318倍。通过体积和质量的对比,你会发现木星比地球的密度小。的确,木星的密度大概只比水重30%。

  虽然木星的密度比水大,但它不是液体或固体星球,却是一个不折不扣的气体行星。木星大气成分中有90%是氢,就像是氢气球。大气的其余主要成分就是氦,还有少量其他元素。既然木星是一个气体星球,那么人类发射的探测器自然就无法"登陆"表面了。有人会问,木星表面都是氢气,那它会不会在某个深度有一片氢的"海洋",让探测器去浮在海面上呢?

  不幸的是,这种情况也不存在。这是因为木星表面的温度"太高",又不足以让氢气变成液体,随着逐渐深入木星,气体会"慢慢"变成液体。之所以说"慢慢",是因为液体和气体浑然一体,并不存在一个清晰的"海面",就像一片迷雾。

  再往木星内部探索,那里的条件将更加残酷。温度来到了几万摄氏度,压强高到几百万个大气压。在这里,氢气被压缩成导电的金属。这层金属氢内部包含着的则是木星核心,至于核心里到底有什么元素、温度压力几何,现在也没有搞清楚。为了防止强辐射对探测器的破环,朱诺号在顶部使用了1厘米厚的钛合金板作为防护。即使存在防护设施,拍照相机也将在环绕木星7周后失效。

  木星大气除了它的"狂暴"外,也有美丽的一面,从木星的照片上可以看到大气呈明显的带状结构,深浅色交错。气体在浅色区域上升、在深色区域下降。而这些颜色是由木星大气里的某些物质反射造成,现在人类还没有真正搞清楚其中原因。


  此外,木星大气中"大红斑"也是一个神奇的天文现象。大红斑是位于木星南半球的一份超大号气旋,直径足以放下两三个地球。1667年,意大利科学家卡西尼一张手绘图片展示了木星上的"大红斑"。自17世纪人类发现它以来一直没有消失过,也就是说这场在木星上的大风暴已经持续了300多年。大红斑当中的风速可谓暴虐,地球上的12级风与之相比就是小巫见大巫。大红斑边缘处的风速最高可达430公里每小时,比我们乘坐的高铁还快。

  早在1989年,美国已经发射过一枚"伽利略"号探测器,它在1995年抵达木星,开始围绕木星旋转。为了研究木星大气构成,"伽利略"号探测器还向木星释放了一颗大气探测器。这颗探测器"命运悲惨",在进入木星大气1个小时后,就在与木星大气距离的摩擦和强大的压强下被摧毁了,科学家预测它可能直接被融化甚至蒸发,彻底消失在木星大气中。这也将是"朱诺"号最终的命运。

  虽然人类之前已经发射过"伽利略"号探测器对木星进行过近距离观测,但是木星仍有磁场、大红斑、核心成分等未解之谜。"朱诺"号此次将携带磁强计、微波辐射计、高能粒子探测器等科学设备对木星进行观测研究。

  最后,木星拥有67颗卫星,数量在8大行星中居首。其中木卫二表面存在水,这令科学家怀疑木卫二上是否有原始生命形态存在。

木星探测大事记

  1610年:伽利略进行了首次详细的木星观测;

  1973年:美国宇航局的先驱者-10号飞船成为首个穿越小行星带的人类航天器,并飞掠木星;

  1979年:美国宇航局的旅行者1号和2号飞船发现了木星暗弱的光环,几颗新的卫星,并发现在木卫一表面存在活火山爆发;

  1994年:世界各地的天文学家和美国宇航局的伽利略探测器对"舒梅克-列维9号"彗星撞击木星南半球的全过程,这是人类首次全程目睹一次天体碰撞;

  1995年:美国宇航局的伽利略号飞船携带探测器抵达木星,开展首次木星大气直接探测并对整个木星系统进行了详细考察;

  今天,朱诺号被木星的引力俘获,成为一颗极地轨道卫星。这一次的探测任务我们也不能实时看到图像。距离延时加上信号带宽太小,我们只能静静等待8月份传回的图像,那将是木星有史以来最清晰的"自拍照"。

  数百年来人们一直在尝试对这颗星球进行研究,但关于这颗气态巨行星,我们仍然有很多基本的问题有待解答:木星是如何形成的?木星大气中含有多少水和氧气?木星的内部结构究竟如何?木星的自转更加符合刚体转动,还是在内部不同深度上存在不同速度的自转?木星拥有固态内核吗?如果有,这个内核有多大?木星强大的磁场是如何形成的?木星云层顶部所见的很多大气结构向下延伸多多深,它与木星大气深部运动之间有何关联?木星极光产生的机制是什么?

  巨大星球厚厚的云层和剧烈的风暴下方,依旧隐藏着许许多多有关这颗巨大行星的身世,以及整个太阳系形成历史的未解之谜,这些让人类困惑的问题,朱诺将一一讲给我们。



我们为什么要选择木星作为探测目标?

  太阳系有8大行星,地球也是一颗行星,我们想知道其他的行星跟地球有什么不一样,还有要了解太阳系的演化过程,就需要研究其他行星。木星是太阳系里最大的行星,是一颗特殊的行星,对它的研究非常有代表性。


朱诺号此次入轨木星有什么特殊的地方?

  高速飞行的朱诺如何被木星捕获成为环绕木星的卫星存在风险,飞快飞慢都不会被木星捕获,而木星上的信号需要48分钟才能传到地球,NASA需要提前把减速指令传送到朱诺号上,是否入轨的信号也需要一个小时候才能接收到。

  受太阳风的影响,木星上有非常强烈的辐射带,朱诺号需要在拱顶加上一厘米厚的钛合金保护层,才能保证电子元器件仪器的正常工作。


朱诺号2013年为什么又飞回地球?

  朱诺号飞回地球上空600公里擦肩而过,是利用地球引力的"弹弓效应",速度增加了7.3公里/秒,可以飞的更远。新视野号飞往冥王星的时候,也曾到木星借力飞行。而朱诺号的电池板并不是为了飞行,而是为了供应所携带仪器的用电。


为什么没有木星的图片传回?

  拍摄木星照片不是这次朱诺号探测任务的主要目的。朱诺号要探测木星的磁场、辐射、引力场、大气等等,上一次伽利略号的探测是为了拍摄木星的照片,朱诺号入轨时大部分仪器都是关闭的,成功入轨后才会开展探测,经过一段时间才能传回。


朱诺号为什么要"自杀",坠入木星大气层坠毁?

  "行星保护原则",朱诺号探测结束后"自杀"是为了防止地球上的微生物或者细菌污染其他星球木星的卫星二可能是适宜生命生存的,我们不能污染它。朱诺号最终会进入木星大气层传回数据并坠毁。


木星是一颗什么样的行星?

  木星是太阳系里最大的行星,是一颗气态行星,木星深处的氢在高压下处于金属状态。木星还有非常强大的磁场,木星上最著名的大红斑有3个地球大,木星上很有很多明暗相间的条带,亮的条带是高温气体往上涌,暗的条带是低温气体往下沉,木星上每时每刻都刮着高速的风暴,是一颗非常狂暴的行星。木星有四颗伽利略卫星,后面陆陆续续发现了很多木星的卫星,形成了一个木星系统。另外木星表面的极光比地球壮观漂亮得多,是真正的太空烟花。


朱诺号为什么不能登陆木星?

  木星是一个气体行星,木星的表面是人为定义的,所以朱诺号无法登陆木星。1995年。伽利略号探测器发射了一颗小型探测器进入木星大气。而朱诺号是对木星磁场、引力等整体进行探测,最后进入木星坠毁。


到底有没有外星人?

  木星肯定没有外星生命,木星的卫星可能会有,我相信整个宇宙中,会有一些星球处于适宜生命出现生存的位置,从概率上来讲,外星文明是很有可能存在的,但是由于时间上的不同步和空间上相隔遥远,无法接触到对方的存在,但是这并不阻碍人类向外探索的脚步,我们总是要问我们来自何方我们去往何处人类生命起源自哪里。

来源:新浪科技



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