華僑網 科技教育 朱诺号木星探测器:进击吧,屠龙勇士!

朱诺号木星探测器:进击吧,屠龙勇士!

出品:科普中国
制作:中国科学院国家天文台 刘博洋
监制:中国科学院计算机网络信息中心

北京时间2016年7月5日11时18分——美国东部时间7月4日、亦即美国“独立日”当天23时18分——朱诺号(Juno)木星探测器将打开其装配的Leros 1b主推进器,持续推进35分钟,完成木星轨道接入(JOI)机动。这是朱诺号升空1796天以来,最紧要攸关的一刻。

这是一个一次性的机遇:如果成功,朱诺号将被木星的引力捕获,进入俘获轨道,经过一系列的变轨,最终于今年11月进入开展预定探测任务的科学轨道;如果失败,它将永远失去进入木星轨道的机会,只能在绕日轨道寂寞终老。

(JOI之后,从木星北极俯冲而下的朱诺号,艺术家想象图。Image Credit: NASA/JPL-Caltech)

这些年来我们已经见闻了太多太阳系探测任务的壮举——1997年发射的土星探测器卡西尼号,抵达土星已经12年有余,至今仍在发回土星家族的高清大图;2003年发射的机遇号火星车,原定任务时长3个月,而它至今仍然火星表面巡弋;2006年发射的新视野号探测器,在去年飞掠冥王星之后,已经踏上了前往柯伊伯带更多小天体的漫长征程。

我们似乎已经习惯于看到探测器们无畏的挑战极限,一次又一次的超期服役,为我们带来更多惊喜。然而在朱诺号面前,这样的讨论可能显得有些残酷。

JOI的到来,既标志着朱诺号即将进入激动人心的正式科学探测阶段,也标志着它剩余595天寿命倒数计时的开始。朱诺号,从一开始就注定是一个早逝的悲剧英雄。

因为它面前的,是伟岸雄浑的木星。

(新视野号拍摄的木星)

以罗马神话中众神之王朱庇特(Jupiter)命名的木星,不是一颗平庸的行星。它的质量比太阳系中所有其他行星之和更大。它甚至不屑于做行星之王:如果不是在几十亿年前太阳系形成这场气体争夺战中憾负,它甚至可能成为太阳之外,这个系统中第二颗能够点燃氢聚变的恒星。

即使错失成为恒星的机会,木星也足以让人恐惧:它外核的液态金属氢电流赋予了它强大的磁场(磁矩为地球的2万倍),仿佛在太阳风的洪流中撑起了一把巨伞。这把叫做“木星磁层”的彗状巨伞其形之巨,足以装下数个太阳,其长尾甚至远及4个天文单位(6亿公里)外的土星轨道——这使得木星磁层成为太阳系中,除太阳风在星际介质中淘出的气泡“日球层”之外,最大的连续结构。如果我们能在地球上目视木星磁层,我们会发现它比日月盘面还要大5倍以上。

(木星磁层结构及视尺度示意图,Neil Tyson et al., ‘One Universe’, Joseph Henry Press)

不,木星磁层并不是太阳风洪流中一湾宁静的避风港。

木卫一(Io),这颗距离木星最近的伽利略卫星,在木星巨大的潮汐力蹂躏下,宛如一颗被揉烂的橘子:它持续的火山活动每年向木星周围注入数千万吨二氧化硫,这些气体随即便被电离成为硫离子、氧离子、电子组成的等离子体,并在木星磁场的禁锢下随木星一同转动,形成温度可达百万度、拱卫木星的等离子体环,向外延展达数十个木星半径(200余万公里)。

(上左:卡西尼号拍摄的木星与木卫一;上右:新视野号拍摄的正在喷发的木卫一;下左:木卫一产生等离子体环及对木星磁场影响示意图;下右:木卫一产生的等离子体环中硫离子分布观测结果。)

在距离木星较近处,等离子体波与等离子体环中电子的相互作用将电子加速到接近光速,产生强烈的同步辐射——这里被叫做“辐射带”。2002年根据卡西尼号飞掠观测结果发表的一篇《自然》文章表示,辐射带中的电子温度最高可达千亿度(20MeV)。不知好歹的人类探测器一旦接触辐射带中的高能粒子,就会造成电子器件的物理伤害,直至完全失灵。

然而6月24日,朱诺号已经突入木星磁层顶激波面,犹如独骑挑战恶龙的勇士,越来越迫近木星,和它周围烈焰熊熊的城堡。

(朱诺号进入木星磁层前后,环境电子密度骤降。但随着朱诺号接近木星,示踪电子密度的等离子体振荡频率还将提升2-3个数量级。)

朱诺号当然有备而来。

它的心脏,是RAD750抗辐射处理器。它能承受100万倍于足以致人死地的辐射剂量,在木星周围的狂暴环境中,预计15年才会出现一次“蓝屏”。

它的铠甲,是1厘米厚的金属钛壳,总重180千克。绝大部分科学仪器都在钛壳的保护下,使其遭受的辐射强度减弱800倍,至电子器件可承受水平以下。

它的姿态保持,没有采用成熟的反作用飞轮方案,而是采用略显复古的自旋稳定方案,以节省反作用飞轮所占用的发射质量,为更厚实的钛壳、更多的科学仪器和更充沛的推进剂让出空间。

(朱诺号的钛壳)

朱诺号的利刃,也将直刺“恶龙”身上唯一一块“鳞片”掉落露出的软肋。

天文学家使用美国新墨西哥州的甚大射电望远镜阵(VLA)对木星周围的同步辐射进行了观测。他们发现,半径约7万公里的木星云顶之上,到环形辐射带之间尚有数千公里的罅隙,如果能从木星两极俯冲而下,准确的穿过这个缝隙,就可以既规避了强辐射对电子器件的伤害,又实现几乎紧贴木星表面飞过,从而获取最高分辨率的木星探测结果。

(VLA 2、3、6cm三个波段合成的伪彩色木星图像,可见环绕木星的辐射带,及木星与辐射带之间的狭缝。)

这就是木星脱落的那块“龙鳞”,朱诺号必须射中。

与朱诺号数亿公里的旅途相比,这是数十万分之一的针孔;而且朱诺号在木星的强大引力势井中,将成为人类史上速度最快的航天器,速度超过70 km/s。不用说,要在高速下准确穿越这个针孔,需要极精准的计算、极准确的机动。

朱诺号发射重量为3625千克,其中燃料与氧化剂总重量为2032千克,占总重一半还多。但这些燃料只能为探测器带来总计2000m/s的速度改变,用一点少一点,需要特别精打细算。

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