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公司 2016-7-05 12:40

太空探索目标更新:下一站,木星!

毫无疑问,这是人类迈向太空的又一个重要“里程碑”。

数分钟前,人类终于握住了木星“大门”的门把手,又一次拥有了尝试打开这扇门的机遇。

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“朱诺”太空探测器,图片来自 Redcanyonsoftware

第一位“开门人”这份殊荣属于 NASA 专门为此打造的一台太空探测器——“朱诺(Juno)”号。随着这艘人类专门为探测木星而建造的探测器进入木星近距轨道,人类有望就木星长久以来的疑问进行解答,甚至能够从木星上“窥视”出整个宇宙的起源与发展规律。

究竟关于这次太空探索的重要事件,我们还需要了解些什么?在这次探索背后又有什么有意思、值得了解的细节?这一切的答案都可以在下文中找到。

新目标:木星

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图片来自 百度知道

从距离太阳的距离来排列,木星位于第五,而第四就是太空探索最热门目的地火星。但是木星的情况却与火星“大相径庭”。首先木星是一颗巨行星,而且还是气态巨行星。

木星同时也是太阳系中最大的行星,质量只有太阳的千分之一,但却又是太阳系其他行星质量总和的 2.5 倍。直径更是达到了地球的 11 倍,因为其体积的原因,让木星非常容易被人类肉眼看见。

而太阳系中的另外三颗行星:土星、天王星、海王星因为同样属于气态行星,更直接以“类木行星”进行归类。

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降落在火星表面的“好奇号”,图片来自 Express

因为其稠密大气的存在,让人类无法像火星一样直接将探测车着陆到其“不知道是否存在及位置的表面之上”。

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图片来自 Ktla

而传统观测木星的方式也很简单,就是——看。在地面用望远镜看,在天上用卫星看。几天前,欧洲宇航局就公布了一组他们通过操纵哈勃太空望远镜拍摄到的木星极光。

而“朱诺”这次的目标就是在近距离对木星进行全方位的探测,同时还将尝试以自己的“肉体之躯”冲入木星的大气层,真正揭秘在木星大气“面纱”下的真容。

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图片来自 Youtube

但这个任务绝非简单,由于气态行星的关系,木星的表面环境异常恶劣:

  • 地球 10 倍以上的磁场;
  • 表面充满了大大小小的风暴和狂风带;
  • 剧烈的大气运动还产生了大量的放电现象;
  • 表面温度大约为 -100 度,但是内核可能高达 3000 度。

纵观整个太阳系,没有任何一颗行星的磁场能够达到这个水平,这也让木星成为一个捕获各种粒子(中子、宇宙射线等),并且“弹射”出极其可怕的辐射的地方。

另外,木星距离太阳的距离约为地球的 5 倍、火星的 3.5 倍,探测难度较火星大大增加,这也是为什么之前人类一直未能将触角伸到木星的原因之一。

5 年、27 亿公里的“不懈努力”,追寻爱人的“朱诺(Juno)”

正如上一段提到的那样,距离一直是木星探测的其中一个需要优先解决的问题,而“朱诺”为了完成这段旅程,足足花了将近 5 年时间。

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注:中间为太阳,从内到外行星中文名分别为水星、金星、地球、火星、木星

2011 年 8 月在肯尼迪发射的它路途也可谓艰辛,在发射升空之后,利用火箭和探测器本身的推动力进行加速,轨道高点已经越过了火星的轨道。然后,就进入了长达 2 年的“潜伏期”。

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随后“朱诺”进行了一次关键的“接近”——以每小时 5 万公里的时速在地球表面 500 多公里的地方高速掠过,并且凭借地球的引力对“朱诺”进行加速以及变向。这种方式也被俗称为“引力弹弓”。

当然,朱诺的加速肯定是以地球的减速为代价的,只不过地球在质量上实在超越“朱诺”太多,这个减慢的速度完全可以忽略不计。

而“朱诺”名字本身也极具含义,Juno 和木星的别名 Jupiter(朱庇特)实际上在古罗马神话中是一对情侣。而“朱诺”探测器也正像以为思念丈夫的妻子一样,“不远万里”的想要回到丈夫身边。

“可惜”的是,根据古罗马神话,“朱庇特”以贪花好色著称,奥林匹斯的许多神祇和许多希腊英雄都是他和不同女人生下的子女。而现实中也“同样如此”,木星拥有多达 67 颗天然卫星。

说完八卦,让我们回到正题,先让我们来看看“朱诺”号探测器的外观。

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一个六边形的主体,同时伸出三个长条状太阳能电池板。相比我们平常看到的一些高科技卫星,甚至有点简陋。

因为其不需要执行复杂的“着落”探测,几乎所有的空间都被用来容纳探测装置和推进装置。其搭载的探测设备主要包括:

  • 磁场探测器:就是那个“A”字型结构,目标是搞清楚木星的磁场结构。
  • 微波计量表(MWR):通过检测木星发出的微波,来反向检测究竟木星大气表面之下是怎样的结构。
  • 木星高能粒子探测器(JEDI):检测木星内部的反应会激发怎样的高能粒子。
  • 天线:用以测量木星大气中等离子体波动的频率,并且探索其与磁场之间的关系。
  • 紫外线图像光谱仪(UVS):目标同样是木星的极光,并且将其与木星大气中的粒子、整体磁场之间的关系弄清楚。
  • 木星极光红外绘制(JIRAM):通过用一台红外相机对木星的极光进行绘制。
  • 高清摄像机:在可见光波段拍摄木星的照片,寿命只能维持 7 次木星近轨运行,之后就将被木星的高能粒子摧毁。

简而言之,全是高精度仪器,更好的“窥视”木星这一任务也将由这一系列仪器完成。

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“朱诺”最终数次环绕木星所形成的总体轨道

但正如上面所提到的那样,木星的工作环境实在太过恶劣,虽然“朱诺”环绕木星运行的轨道最低高度距离木星表面仍有 4300 公里,但是相机只能在这种辐射环境下存活 7 次轨道运行。

要知道,为了对抗如此之强的辐射,“朱诺”还在其关键的仪器仓外使用了 1 厘米厚的钛金属进行屏蔽,而其太阳能电池板也将在辐射下降低 20% 左右的效用。

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除了以“近距离”飞跃之外,NASA 甚至还给“朱诺”规划了一条“终极路线”——以 21 万公里每小时的速度直接冲入木星的大气层,因为 NASA 担心可能携带有地球微生物的“朱诺”会落入木卫二(欧罗巴)之上,而后者上面是否存在生命一直是科学家热议的话题。

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图片来自 Deep Space Network

从 NASA 旗下的 Deep Space Network 呈现的数据来看,NASA 旗下的三个宇宙数据接收中心(西班牙马德里、美国戈德斯通、澳大利亚堪培拉)中的两个都已经在全力为“朱诺”(代号 JNO)服务,目前“朱诺”正在以每秒钟几十上百 kb(确认是小写)的速度将探测数据回传。

这也是因为“朱诺”目前与地球的距离,比地球到太阳的距离还要远的缘故,但目前来看“朱诺”的工作状态一切正常。

为什么是木星?

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图片来自 Protothema

虽然木星既巨大而且充满危险,看起来也远不如火星来的实际,改造一下也许未来就能住人。

但是作为太阳系气态行星的“最佳标本”,木星的大气、磁场、各种环境情况都对人类了解太阳系的形成、宇宙起源有着非常重要的帮助。

首先是木星的大气成分,其中 88-92% 为氢,剩下的主要为氦,只有 1% 是其他元素,包括甲烷、水蒸气、氨等等。这种比例与形成太阳系的原始星云的理论成分非常接近。

大红斑

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图片来自 Universetoday

提到木星,自然不能不提到其表面最为“持久”的特征——大红斑。

早在 17 世纪中叶,人类就对其开始了时断时续的观测,1879 年更开始对它进行持续的跟踪的记录。东西最长 48000 公里,最短也有 20000 度公里;南北最长 14000 公里,最短 11000 公里,其面积几乎能够容纳 3 个地球表面积。

这一维持了至少 200-350 年的“风暴”一直是天文学家和气象学家最想要解释的问题。“大红斑”的成因猜测甚至成为了天文学的一个重要命题。

当然,除了上面这些“未解之谜”之外,其实还有另外一个重要的原因:木星相对“较近”,上文中提到的航行距离的确很远,但是木星同时也是距离地球最近的巨型气态行星,这对于人类增进对此类行星的认识有非常重要的意义。

在人类通过各种探测手段对火星了解与日俱增的同时,我们有必要开始着手木星的探测计划。

木星探测的“纠缠离合”

在“朱诺”之前,人类其实也曾数次开展对木星的探测,其中“顺手”看一眼的有 7 次,还有一次类似的环绕探测计划最终因为故障而遭受失败。

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先驱者 10 号;发射时间:1972 年 3 月;任务:飞掠    图片来自 Kinja

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先驱者 11 号;发射时间:1973 年 4 月;任务:飞掠    图片来自 Ecotimes

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旅行者 1 号;发射时间:1979 年 3 月;任务:飞掠    图片来自 Doquizzes

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旅行者 2 号;发射时间 1977 年 8 月;任务:飞掠    图片来自 Ispaceman

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尤利西斯号;发射时间 1990 年 10 月;任务:飞掠    图片来自 Wikipedia

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卡西尼-惠更斯号;发射时间 1997 年 10 月;任务:飞掠    图片来自 Thegazette

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新地平线号;发射时间:2006 年 1 月;任务:飞掠    图片来自 Techgenmag

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伽利略号;发射时间:1989 年 10 月;任务:环绕   图片来自 Sinapress

从这个角度来首,“朱诺”也将继承以上前辈的遗志,在人类的第二次的土星近距探测尝试中收集尽可能多的资料。

太空,人类的过去以及未来

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图片来自 Newevolutiondesigns

在之前的文章《SpaceX 再次失败,但是人类的宇宙梦却更近了》中我曾经详细的介绍了 NASA 以及一批新力量诸如 SpaceX 在人类宇宙探索和开发中所扮演的“先驱者”角色。

当然,我知道肯定有人会说:“宇宙,那么远,跟我们有什么关系?”

早在 1970 年,赞比亚修女 Mary Jucunda 就给 Ernst Stuhlinger 博士写了一封信,内容是“目前地球上还有这么多小孩子吃不上饭,你们怎么能舍得为远在火星的项目花费数十亿美元?”

最终这封信被 NASA 以“为什么要探索宇宙”为题发表,其中包含以下几个片段:

……

通过太空项目,来为缓解乃至最终 解决地球上的贫穷和饥饿问题作出贡献。解决饥饿问题的关键有两部分:食物的生产和食物的发放。食物的生产所涉及的农业、畜牧业、渔业及其他大规模生产活动 在世界上的一些地区高效高产,而在有的地区则产量严重不足。通过高科技手段,如灌溉管理,肥料的使用,天气预报,产量评估,程序化种植,农田优选,作物的 习性与耕作时间选择,农作物调查及收割计划,可以显著提高土地的生产效率。

……

每年,都有大概一千项从太空项目中发展出来的新技术被用于日常生活中,这些技术打造出更好的厨房用具和农场设备,更好的缝纫机和收音机,更好的轮船和飞机,更精确的天气预报和风暴预警,更好的通讯设施,更好的医疗设备,乃至更好的日常小工具。你可能会问 为什么先设计出宇航员登月舱的维生系统,而不是先为听力障碍患者造出有声阅读设备呢。答案很简单:解决工程问题时,重要的技术突破往往并不是按部就班直接得到的,而是来自能够激发出强大创新精神,能够燃起的想象力和坚定的行动力,以及能够整合好所有资源的充满挑战的目标。

……

尽 管我们开展的太空项目研究的东西离地球很遥远,已经将人类的视野延伸至月亮、至太阳、至星球、直至那遥远的星辰,但天文学家对地球的关注,超过以上所有天外之物。太空项目带来的不仅有那些新技术所所提供的生活品质的提升,随着对宇宙研究的深入,我们对地球,对生命,对人类自身的感激之情将越深。太空探索让地球更美好。

国内的太空探测计划中同样有木星的身影,在已经出版的《2016-2030年空间科学规划研究报告》中,也提出了木星系统探测计划。其中包括研究木星磁层结构,木卫二大气模型,木卫二表面冰层形貌及厚度,金星、地球、木星间的太阳风结构。

太空,傻子都知道是未来。

题图来自 Youtube
文中无标明出处动图均来自 NASA’s Eye 软件

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