“朱諾”號將揭開木星神秘面紗

許林玉/編譯

“朱諾”號將揭開木星神秘面紗

許林玉/編譯

·7月4日，美國國家航空航天局的 “朱諾”號探測器到達其五年旅途的終點，開始環繞木星飛行。

美國國家航空航天局（NASA）有一個慣例——將高風險控制操作安排在美國獨立日。1997年7月4日中午時分，火星探路者計劃將第一部火星探測車“索杰納”號（Sojourner）成功降落在火星上。11年前的同一天，“深度撞擊”號（Deep Impact）探測器與坦普爾1號彗星成功相撞，該成就被天文學家伊萬·威廉姆斯（Iwan Williams）描述為“一只蚊子與波音747相撞”。而在今年7月4日，就在太平洋標準時間晚上9點之前，發動機燃燒35分鐘之后，美國國家航空航天局的“朱諾”號（Juno）探測器順利結束五年旅程，開始環繞木星飛行。對于位于加州帕薩迪納市噴氣推進實驗室的工程師們來說，這一天不僅是獨立日，更是入軌日。當操作團隊確認燃燒按原計劃進行時，任務控制組的所有成員起立鼓掌。

任務的主要研究者斯科特·博爾頓（Scott Bolton）此前曾說：“這是一次一次性交易。”當“朱諾”號的發動機燃燒時，不僅其飛行速度比任何人造物體都快——超過165 000英里每小時，而且搭載的電子器件是在被噴氣推進實驗室的海蒂·貝克爾（Heidi Becker）稱為“噴射輻射子彈”的環境下運行的：充電電子以接近光速的速度在木星的磁力線上進行螺旋運動。這是自任務啟動以來風險最高的時刻。

“與木星相關的一切都是最極端的。”博爾頓說。他的同事、“朱諾”號項目負責人里克·奈貝肯 （Rick Nybakker）對這一看法表示贊同，他說：“這是太陽系中僅次于太陽的最危險的環境。”1995年，當美國國家航空航天局之前的木星計劃“伽利略”號到達木星時，儀器被嚴重破壞，而在一些情況下，是被輻射摧毀性地破壞的。除此之外，關鍵的天線也遭受部分損壞，這意味著“伽利略”號只能完成70%的科學任務，留下了許多關于木星的未解之謎。

博爾頓說，面對這些挑戰，美國國家航空航天局的應對方案是“裝配一輛裝甲坦克”。“朱諾”號的確是一個極其龐大的航天器，大約有一個專業的籃球場大，外觀有點像發出輻射警報的三葉草，一個六邊形齒輪連接著三個用太陽能板覆蓋的機械臂（相比之下，美國國家航空航天局于去年到達冥王星的“新視野”號探測器則只比一架音樂會三角鋼琴稍大一些）。“朱諾”號的命令和數據處理電子器件被安置在一個像越野車后備箱大小的中央鈦制外殼中。空外殼重500磅（約227千克），滿載儀器時可將承受的輻射降低800倍。貝克爾說，在“朱諾”號執行任務期間，鈦殼外猶如照射著一億多條牙科X射線，是人類一生允許照射輻射量的數十萬倍。

“朱諾”號團隊預計，4日進行入軌控制操作時，盡管探測器帶有防護，但輻射可能會導致探測器的制導計算機短暫中斷并重置，進而中斷發動機的工作，并將整個操作弄得一團糟。木星距離地球5.4億英里，無線電信號從木星回傳至地球需要48分鐘，所以當噴氣推進實驗室的工程師發現關機時，進入木星軌道的時機可能就已經錯過。用奈貝肯的話來說，“我們不會得到振奮人心的消息。”為此，他們為這部分任務創建了一個特殊的覆蓋命令，迫使發動機在幾分鐘后重新啟動。該安全系統被證明沒有必要，但為了為“朱諾”號在8月27日到達距離木星最近的位置做好充分準備，該團隊設計了另一個儀器的自動重啟——這一次探測器的重要儀器之一：磁強計。根據博爾頓的介紹，繪制木星磁場地圖是本次任務最具挑戰性的科學目標。重啟計劃能夠確保即使美國國家航空航天局暫時失去了 “朱諾”號上所有儀器的數據，磁強計也能及時恢復數據以執行其功能。

博爾頓和他的團隊希望這能夠對木星強大磁場進行首次精確而詳細的三維探測。這顆氣態巨行星的磁氣圈比地球強近兩萬倍，因而其壯觀的極光比我們整個星球都大。木星磁場可輻射進入廣袤的太空，如果它能夠發出可見光，木星在夜空中會有兩個月球那么大。“伽利略”號捕捉到了令人驚嘆的旋渦狀氨風暴表面圖像，而“朱諾”號的任務是探測氣態面紗下的木星核心。科學家們認為，木星的強大磁場是由氫氣在深海內部劇烈攪動產生的。由于壓力太大，氫氣變成了閃閃發亮的液體。“它像一面鏡子，可以反射光線，所以如果你沉浸其中，什么也看不見。”2011年，加州理工學院的大衛·史蒂芬森（David Stevenson）在“朱諾”號發射一周年慶典上解釋道。因此產生的磁場的詳細地圖將為研究人員提供所需的線索，幫助他們了解這個隱秘海洋的深度和氣流。

如今，還沒有人確切知道木星的內部結構——甚至都不知道其核心是像太陽系其他行星那樣的巖石內核，還是像太陽一樣的氣態核心。科學家們用以解決這個問題的方法尤為巧妙。它需要跟蹤監測“朱諾”號探測器與美國國家航空航天局設在地球上的天線系統深空網絡（Deep Space Network）之間無線電傳輸的微小變化。該機構第一次將所有九條天線指向其位于莫哈韋沙漠和澳大利亞堪培拉的設備，而且方向都指向“朱諾”號探測器。探測器的速度由于受到木星重力的影響，微弱的增加或降低都會在無線電傳輸的頻率中反映出來，如同汽車的多普勒頻移鳴響會告訴你它是在向你開過來還是與你背道而馳。如果木星的核心是巖石，“朱諾”號在從兩極到赤道的旅途中會提前一些時間加速，由此產生的多普勒效應將使它的無線電信號更強。

同時，“朱諾”號探測器是在3 000英里內的木星云層飛行，因此能夠測量從厚厚的大氣霾霧中逃逸的微波輻射，從而探測出木星上的含水量、著名的（并且正在縮減的）大紅斑的深度等。其目的是回答木星如何形成以及外星世界如何形成的問題。博爾頓說道：“我們真正想要了解的問題是太陽系中的行星是如何形成的？”木星正是第一顆形成的行星。它消耗了太陽形成后遺留下來的大部分氦和氫，但根據之前的觀察，我們知道木星還包含其他一些元素，包括碳和氮等構成地球生命基礎的元素。博爾頓說：“在太陽的形成和木星的形成之間應該發生過一些情況，才使后者的重元素含量豐富。但是我們還不知道是什么。”在未來幾年，科學家希望通過分析“朱諾”號探測的數據解決這一謎題，從而了解類地行星形成的早期過程，并最終了解地球形成的早期過程。

在接下來的時間“朱諾”號將收集數據。由于探測器每隔14天環繞木星飛行一周，美國國家航空航天局預計輻射會開始損壞搭載的儀器：根據設計，任務將在搭載計算機變得極不可靠前結束完成。木星的一些衛星可能蘊含生命，所以美國國家航空航天局不希望因這個地球的“偷渡者”而污染它們。因此，在“朱諾”號于2018年2月完成第37個軌道的飛行之后，它將最后一次燃燒發動機，并徑直飛往木星，從而確保在熾熱的木星上解體。即使在走向生命盡頭之際，“朱諾”號仍將繼續捕捉數據。博爾頓說：“拍攝儀器JunoCam可能從云層之下拍攝到極具價值的圖像。但由于探測器置身于木星的大氣湍流中，其天線可能會搖擺不定，因此無法將照片回傳。太陽系中的這顆神秘的巨行星仍將保守一些秘密。”

［資料來源：The New Yorker］［責任編輯：絲 絲］

本文作者尼古拉·特威利（Nicola Twilley）是《紐約客》的撰稿人，《食用地理》博客的作者和Gastropod播客（關于食物歷史和科學的播客）的主持人之一。