探索木星对物理学的影响

“朱诺号”：“有来无回”的冒险之旅 木星探测器“朱诺号”，图片来源：NASA

1、为什么要一再拜访木星？

朱诺号是2011年8月5日从佛罗里达州卡纳维拉尔角发射升空的，在5年的时间里，它飞过了28亿千米的距离（18.7天文单位）。7月4日，它从北极方向实施变轨，切入环绕木星的轨道，在未来20个月时间里环绕木星37次，计划在2018年2月结束使命，在木星上坠毁。

“朱诺号”是美国航空航天局“新边疆”计划(New Frontiers)的第二个探测项目（第一项是“新视野号”）。这一计划是为了发展中型行星际探测项目，开辟新的探索方向。“朱诺号”的总花费将达到11亿美元（按2011年6月的测算）。

那么为什么“新边疆”计划会支持“朱诺号”再度拜访木星呢？木星应该早就不是什么新热门了吧？关于这一点，我们看一下“朱诺号”要做什么就知道了。

“朱诺号”的研究任务包括：

确定木星大气层中有多少水，从而确定哪一种行星形成理论是正确的（或者是否需要提出新的理论）；

观测木星大气层深处测量其成分、温度、云层运动等性质；

测绘木星磁场和引力场分布，揭示木星深层结构；

探测和研究木星两极的磁层，尤其是极光，深入研究木星强大的磁场如何影响其大气层。

从这个任务列表我们可以看出，虽然自天文学进入望远镜时代以来，天文学家们已经关注木星400年了，几乎每一代每一台新望远镜都会首先观察木星，太空时代又有至少7个无人探测器飞临木星，尤其“伽利略号”木星探测器曾经在木星及其卫星附近盘桓了将近八年之久，但即便如此，在这颗太阳系最大的行星上，仍然藏着许多未解之谜。

核心机密：探测仪器九大件

“朱诺号”是目前离太阳最远的太阳能航天器，这里离太阳约8亿千米，阳光强度比地球弱25倍。“朱诺号”的太阳能电池板展开长9米，宽2.65米，三块电池板打开之后，面积达到72平方米，大小如同半个篮球场。它的核心部件探测器部分呈圆柱形，直径3.5米。九件探测器及其作用如下：

微波辐射计。因为在所有电磁波中，只有微波才能穿透木星厚厚的大气层。在6个波段上进行测量，获得500-600千米深处的水、氨的丰度信息，多波段综合可以知道温度分布，从而可以知道大气环流的深度。

木星红外极光成像仪。可以测量50-70千米深处的大气层的热辐射，获得水、甲烷、氨、磷化氢的分布信息。

木星极光分布实验，这是一种高能粒子探测器，测量极光中能量较低的离子和电子速度、能量和分布情况。

木星高能粒子探测器设备，这是又一种高能粒子探测器，测量木星两极磁层里能量较高的离子和电子性质，特别是氢、氦、氧、硫的粒子。

磁力计。磁场研究有三个目标：测绘磁场分布，确定木星内部的动力学机制，以及两极磁层的三维结构。

重力仪。通过射电波测量重力场结构，从而确定木星内部的质量分布。木星内部质量的不均匀分布能够在表面产生重力差异，从而导致探测器的速度变化。

射电波和等离子体波传感器。通过测量极光区域的射电和等离子体光谱，确定极光电流和粒子加速情况。

紫外成像光谱仪。测量两极磁层极光发射区域的紫外光子分布。

朱诺照相机。可见光照相机/望远镜，近距离拍摄极光及木星表面。

2、磁场和极光之谜

“朱诺号”：“有来无回”的冒险之旅 木星的结构（点击放大查看），图片来源：Wikipedia

相比于之前曾经拜访木星的探测器，“朱诺号”是第一个采用极轨道观测的。这是一种极度椭圆的轨道，在木星两极上空，“朱诺号”距离木星表面只有4300千米，然后就飞向轨道另一端，离木星距离达到木星半径的39倍即约270万千米。在这样的轨道上走一圈就需要花14天时间。之所以采取这样的“变态”轨道，是为了近距离研究它的磁场和极光，进而揭示它的内部结构。但因为木星的磁场很强，为了保护“朱诺号”的研究仪器，不能让它长时间待在磁场中，所以才让它看完一眼之后，就尽快飞离。

早在1950年代，天文学家就接收到了来自木星的射电辐射，1973年先驱者10号直接拍摄到了木星的极光。既然存在极光，因此必然存在磁场。先驱者10、11号经过木星时，发现它周围的磁场和辐射强度远大于预期，还好没有对航天器造成损害。现在我们知道，其实木星的磁场强度是地球的14倍，是太阳系里除了太阳黑子之外最强的磁场（最强处有14高斯，“高斯”为磁感应强度的单位）。

“朱诺号”：“有来无回”的冒险之旅 哈勃望远镜拍摄的木星的磁场，图片来源：NASA

强磁场来自于木星大气层的深处，那里由于压力巨大，存在一层可以导电的“金属氢”层。所谓金属氢，是在压力超过400万标准大气压之后，氢原子中的电子被从氢原子核（即质子）旁边挤出来，从而形成的像金属结构一样的由电子和质子聚集而成的“海洋”。结合木星的快速自转（如此庞大的木星自转周期只有10小时），这一层的涡流电流产生强大的磁场，磁场分布范围极大，可能远至土星都能感受到。

跟地球一样，当来自太阳风的粒子与木星磁场发生作用时，粒子被磁场引导飞向两极地区，当粒子冲击大气层时，与大气原子发生碰撞，就会发出某些特定频率或颜色的发光，这就是木星上的极光。

由于木星磁场太强，所以伽利略卫星是在安全距离之外“围观”木星和它的卫星小伙伴们。而如今“朱诺号”则是直接飞到了两极近距离观测，因此辐射带上的高能粒子会对它的电子设备和太阳能电池板造成损害。为此，它携带了由1厘米厚的钛合金板构成的防护罩。尽管如此，它的相机和红外极光成像仪可能在8周轨道之后会发生损坏，微波辐射计可能支撑到11周轨道之后。

起源之谜：

所有的太阳系起源理论都认为，太阳系形成开始于一团巨大的气体和尘埃星云的坍缩。木星的主要成分是氢和氦，质量比例是75%：25%，这个比例非常接近原初太阳星云的成分，所以它应该是跟太阳几乎同时形成的，它最初的位置可能就在太阳附近。后来由于太阳系轨道变动才迁移到现在的位置。星云坍缩是如何发生的？行星形成过程又是怎么样的？这些都还是各种理论争执的焦点。

对于太阳系其他行星来说，由于质量比较小，其成分可能已经发生了很大的变化。但是考虑到木星巨大的质量（达到太阳质量的千分之一），科学家们认为它能够保持原初的成分。

“朱诺号”通过测量木星的引力场和磁场，能够确定其核心的质量，探测它是否存在一个像地球这样的岩石核心；通过测量木星大气层中水、氨的成分比例，从而解决木星的起源之谜，这也与太阳系起源之谜息息相关。

朱诺号的全部使命就在于推动科技的前沿进步，揭示木星隐藏的太阳系早期历史的秘密，也帮助我们了解自身的起源。