許林玉/編譯

“朱諾”號(hào)將揭開(kāi)木星神秘面紗

許林玉/編譯

·7月4日，美國(guó)國(guó)家航空航天局的 “朱諾”號(hào)探測(cè)器到達(dá)其五年旅途的終點(diǎn)，開(kāi)始環(huán)繞木星飛行。

美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）有一個(gè)慣例——將高風(fēng)險(xiǎn)控制操作安排在美國(guó)獨(dú)立日。1997年7月4日中午時(shí)分，火星探路者計(jì)劃將第一部火星探測(cè)車“索杰納”號(hào)（Sojourner）成功降落在火星上。11年前的同一天，“深度撞擊”號(hào)（Deep Impact）探測(cè)器與坦普爾1號(hào)彗星成功相撞，該成就被天文學(xué)家伊萬(wàn)·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(biāo)準(zhǔn)時(shí)間晚上9點(diǎn)之前，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒35分鐘之后，美國(guó)國(guó)家航空航天局的“朱諾”號(hào)（Juno）探測(cè)器順利結(jié)束五年旅程，開(kāi)始環(huán)繞木星飛行。對(duì)于位于加州帕薩迪納市噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的工程師們來(lái)說(shuō)，這一天不僅是獨(dú)立日，更是入軌日。當(dāng)操作團(tuán)隊(duì)確認(rèn)燃燒按原計(jì)劃進(jìn)行時(shí)，任務(wù)控制組的所有成員起立鼓掌。

任務(wù)的主要研究者斯科特·博爾頓（Scott Bolton）此前曾說(shuō)：“這是一次一次性交易?！碑?dāng)“朱諾”號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒時(shí)，不僅其飛行速度比任何人造物體都快——超過(guò)165 000英里每小時(shí)，而且搭載的電子器件是在被噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的海蒂·貝克爾（Heidi Becker）稱為“噴射輻射子彈”的環(huán)境下運(yùn)行的：充電電子以接近光速的速度在木星的磁力線上進(jìn)行螺旋運(yùn)動(dòng)。這是自任務(wù)啟動(dòng)以來(lái)風(fēng)險(xiǎn)最高的時(shí)刻。

“與木星相關(guān)的一切都是最極端的?！辈栴D說(shuō)。他的同事、“朱諾”號(hào)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人里克·奈貝肯 （Rick Nybakker）對(duì)這一看法表示贊同，他說(shuō)：“這是太陽(yáng)系中僅次于太陽(yáng)的最危險(xiǎn)的環(huán)境?！?995年，當(dāng)美國(guó)國(guó)家航空航天局之前的木星計(jì)劃“伽利略”號(hào)到達(dá)木星時(shí)，儀器被嚴(yán)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(guān)鍵的天線也遭受部分損壞，這意味著“伽利略”號(hào)只能完成70%的科學(xué)任務(wù)，留下了許多關(guān)于木星的未解之謎。

博爾頓說(shuō)，面對(duì)這些挑戰(zhàn)，美國(guó)國(guó)家航空航天局的應(yīng)對(duì)方案是“裝配一輛裝甲坦克”。“朱諾”號(hào)的確是一個(gè)極其龐大的航天器，大約有一個(gè)專業(yè)的籃球場(chǎng)大，外觀有點(diǎn)像發(fā)出輻射警報(bào)的三葉草，一個(gè)六邊形齒輪連接著三個(gè)用太陽(yáng)能板覆蓋的機(jī)械臂（相比之下，美國(guó)國(guó)家航空航天局于去年到達(dá)冥王星的“新視野”號(hào)探測(cè)器則只比一架音樂(lè)會(huì)三角鋼琴稍大一些）?！爸熘Z”號(hào)的命令和數(shù)據(jù)處理電子器件被安置在一個(gè)像越野車后備箱大小的中央鈦制外殼中?？胀鈿ぶ?00磅（約227千克），滿載儀器時(shí)可將承受的輻射降低800倍。貝克爾說(shuō)，在“朱諾”號(hào)執(zhí)行任務(wù)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(shù)十萬(wàn)倍。

“朱諾”號(hào)團(tuán)隊(duì)預(yù)計(jì)，4日進(jìn)行入軌控制操作時(shí)，盡管探測(cè)器帶有防護(hù)，但輻射可能會(huì)導(dǎo)致探測(cè)器的制導(dǎo)計(jì)算機(jī)短暫中斷并重置，進(jìn)而中斷發(fā)動(dòng)機(jī)的工作，并將整個(gè)操作弄得一團(tuán)糟。木星距離地球5.4億英里，無(wú)線電信號(hào)從木星回傳至地球需要48分鐘，所以當(dāng)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的工程師發(fā)現(xiàn)關(guān)機(jī)時(shí)，進(jìn)入木星軌道的時(shí)機(jī)可能就已經(jīng)錯(cuò)過(guò)。用奈貝肯的話來(lái)說(shuō)，“我們不會(huì)得到振奮人心的消息?！睘榇?，他們?yōu)檫@部分任務(wù)創(chuàng)建了一個(gè)特殊的覆蓋命令，迫使發(fā)動(dòng)機(jī)在幾分鐘后重新啟動(dòng)。該安全系統(tǒng)被證明沒(méi)有必要，但為了為“朱諾”號(hào)在8月27日到達(dá)距離木星最近的位置做好充分準(zhǔn)備，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了另一個(gè)儀器的自動(dòng)重啟——這一次探測(cè)器的重要儀器之一：磁強(qiáng)計(jì)。根據(jù)博爾頓的介紹，繪制木星磁場(chǎng)地圖是本次任務(wù)最具挑戰(zhàn)性的科學(xué)目標(biāo)。重啟計(jì)劃能夠確保即使美國(guó)國(guó)家航空航天局暫時(shí)失去了 “朱諾”號(hào)上所有儀器的數(shù)據(jù)，磁強(qiáng)計(jì)也能及時(shí)恢復(fù)數(shù)據(jù)以執(zhí)行其功能。

博爾頓和他的團(tuán)隊(duì)希望這能夠?qū)δ拘菑?qiáng)大磁場(chǎng)進(jìn)行首次精確而詳細(xì)的三維探測(cè)。這顆氣態(tài)巨行星的磁氣圈比地球強(qiáng)近兩萬(wàn)倍，因而其壯觀的極光比我們整個(gè)星球都大。木星磁場(chǎng)可輻射進(jìn)入廣袤的太空，如果它能夠發(fā)出可見(jiàn)光，木星在夜空中會(huì)有兩個(gè)月球那么大?！百だ浴碧?hào)捕捉到了令人驚嘆的旋渦狀氨風(fēng)暴表面圖像，而“朱諾”號(hào)的任務(wù)是探測(cè)氣態(tài)面紗下的木星核心?？茖W(xué)家們認(rèn)為，木星的強(qiáng)大磁場(chǎng)是由氫氣在深海內(nèi)部劇烈攪動(dòng)產(chǎn)生的。由于壓力太大，氫氣變成了閃閃發(fā)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(jiàn)?！?011年，加州理工學(xué)院的大衛(wèi)·史蒂芬森（David Stevenson）在“朱諾”號(hào)發(fā)射一周年慶典上解釋道。因此產(chǎn)生的磁場(chǎng)的詳細(xì)地圖將為研究人員提供所需的線索，幫助他們了解這個(gè)隱秘海洋的深度和氣流。

如今，還沒(méi)有人確切知道木星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)——甚至都不知道其核心是像太陽(yáng)系其他行星那樣的巖石內(nèi)核，還是像太陽(yáng)一樣的氣態(tài)核心。科學(xué)家們用以解決這個(gè)問(wèn)題的方法尤為巧妙。它需要跟蹤監(jiān)測(cè)“朱諾”號(hào)探測(cè)器與美國(guó)國(guó)家航空航天局設(shè)在地球上的天線系統(tǒng)深空網(wǎng)絡(luò)（Deep Space Network）之間無(wú)線電傳輸?shù)奈⑿∽兓?。該機(jī)構(gòu)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(shè)備，而且方向都指向“朱諾”號(hào)探測(cè)器。探測(cè)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(huì)在無(wú)線電傳輸?shù)念l率中反映出來(lái)，如同汽車的多普勒頻移鳴響會(huì)告訴你它是在向你開(kāi)過(guò)來(lái)還是與你背道而馳。如果木星的核心是巖石，“朱諾”號(hào)在從兩極到赤道的旅途中會(huì)提前一些時(shí)間加速，由此產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)將使它的無(wú)線電信號(hào)更強(qiáng)。

同時(shí)，“朱諾”號(hào)探測(cè)器是在3 000英里內(nèi)的木星云層飛行，因此能夠測(cè)量從厚厚的大氣霾霧中逃逸的微波輻射，從而探測(cè)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(wèn)題。博爾頓說(shuō)道：“我們真正想要了解的問(wèn)題是太陽(yáng)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(yáng)形成后遺留下來(lái)的大部分氦和氫，但根據(jù)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(gòu)成地球生命基礎(chǔ)的元素。博爾頓說(shuō)：“在太陽(yáng)的形成和木星的形成之間應(yīng)該發(fā)生過(guò)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?！痹谖磥?lái)幾年，科學(xué)家希望通過(guò)分析“朱諾”號(hào)探測(cè)的數(shù)據(jù)解決這一謎題，從而了解類地行星形成的早期過(guò)程，并最終了解地球形成的早期過(guò)程。

在接下來(lái)的時(shí)間“朱諾”號(hào)將收集數(shù)據(jù)。由于探測(cè)器每隔14天環(huán)繞木星飛行一周，美國(guó)國(guó)家航空航天局預(yù)計(jì)輻射會(huì)開(kāi)始損壞搭載的儀器：根據(jù)設(shè)計(jì)，任務(wù)將在搭載計(jì)算機(jī)變得極不可靠前結(jié)束完成。木星的一些衛(wèi)星可能蘊(yùn)含生命，所以美國(guó)國(guó)家航空航天局不希望因這個(gè)地球的“偷渡者”而污染它們。因此，在“朱諾”號(hào)于2018年2月完成第37個(gè)軌道的飛行之后，它將最后一次燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)，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(hào)仍將繼續(xù)捕捉數(shù)據(jù)。博爾頓說(shuō)：“拍攝儀器JunoCam可能從云層之下拍攝到極具價(jià)值的圖像。但由于探測(cè)器置身于木星的大氣湍流中，其天線可能會(huì)搖擺不定，因此無(wú)法將照片回傳。太陽(yáng)系中的這顆神秘的巨行星仍將保守一些秘密。”

［資料來(lái)源：The New Yorker］［責(zé)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(guān)于食物歷史和科學(xué)的播客）的主持人之一。