木星,，太陽(yáng)系中體積和質(zhì)量都最大的一顆行星,，太陽(yáng)系所有其他的天體加起來(lái)的質(zhì)量還不到它的一半。而對(duì)于我們大多數(shù)普通人來(lái)說(shuō),，木星也是一個(gè)“熟悉的陌生人”,。說(shuō)它熟悉，是因?yàn)槟拘堑男蜗筇貏e受藝術(shù)家的青睞,，是因?yàn)楦鞣N影視作品和書(shū)籍,，往往都把木星作為天體的代言人，比如《2001 太空漫游》,、《木星上行》,，還有 2019 年年初上映的國(guó)產(chǎn)科幻影片《流浪地球》，都出現(xiàn)了木星,。在流浪地球里,，我們地球就差點(diǎn)撞上它而毀滅,。
木星的影像特別漂亮，在棕白色的背景下,，標(biāo)志性的大紅斑和各種藍(lán)色漩渦,，使得木星充滿了一種科幻的美感。而說(shuō)它陌生,，是因?yàn)楸M管人們已經(jīng)派遣過(guò)先驅(qū)者號(hào),，旅行者號(hào)以及伽利略號(hào)等探測(cè)器去執(zhí)行過(guò)木星任務(wù),，但我們對(duì)于木星的了解還是知之甚少,，甚至連一個(gè)最基本的問(wèn)題，例如,，木星的大氣層有多厚,，我們都不得而知。2003 年 9 月 21 日,，伽利略號(hào)木星探測(cè)器完成了使命,，為了避免它在燃料耗盡之后，可能與存在外星生命的木衛(wèi)二發(fā)生碰撞,，造成污染,。伽利略號(hào)以每小時(shí) 16.6 萬(wàn)英里的速度墜入木星的大氣層，燃燒殆盡,。伽利略號(hào)墜向木星的過(guò)程中,，它向地球傳回了最后 58 分鐘的數(shù)據(jù)。由于木星的 79 顆衛(wèi)星大部分的表面都是由冰構(gòu)成的,，按照科學(xué)家們的推測(cè),，木星的大氣層中，應(yīng)該也含有大量的水才對(duì),。但是伽利略號(hào)傳回來(lái)的信號(hào)卻顯示：木星大氣要比想象的干燥許多,。那么木星究竟是一個(gè)干燥的星球呢,？還是說(shuō),，這是由于木星大氣的含水量分布不均,，或者伽利略號(hào)的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確導(dǎo)致的。由于木星的大氣,，更類(lèi)似地球形成初期的情況,。如果能搞清楚木星大氣中是否含有水，對(duì)搞清楚整個(gè)太陽(yáng)系的形成,，乃至生命體的出現(xiàn)都有重要的作用,。
這個(gè)問(wèn)題,，一直到等到伽利略號(hào)的繼任者,，也就是本期節(jié)目的主角朱諾號(hào)抵達(dá)木星,，才終于得到了答案。在伽利略號(hào)埋骨木星的七年多后,，也就是 2011 年 8 月 5 日,，佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角發(fā)射場(chǎng)，第五代大力神運(yùn)載火箭攜帶著“朱諾”號(hào)探測(cè)器飛向太空,。經(jīng)過(guò) 5 年多的飛行,，在 2016 年 7 月 5 日中午，美國(guó)宇航局召開(kāi)新聞發(fā)布會(huì),，宣布朱諾號(hào)成功進(jìn)入木星軌道,，這是自 2003 年“伽利略”號(hào)結(jié)束木星探測(cè)任務(wù)以后，13 年來(lái)首顆繞木星工作的探測(cè)器,。朱諾號(hào)一共攜帶了 29 臺(tái)探測(cè)儀器，科學(xué)家們希望它能給木星做一個(gè)全身的檢查,。在這些靈敏儀器的外面,，是一個(gè)厚度達(dá) 1 厘米,，由金屬鈦組成的電子保護(hù)艙，這也是 NASA 第一次采用了輻射防護(hù)電子艙,。大小相當(dāng)于一輛家用 SUV 轎車(chē)的行李廂,?！爸熘Z”號(hào)的電子設(shè)備都安裝在這里。這主要就是為了適應(yīng)木星惡劣的環(huán)境,。木星是一個(gè)脾氣不那么好的天體,，濃密的大氣層，隨處可見(jiàn)的風(fēng)暴,，致命的高磁場(chǎng),，都意味著木星并不愿意向人們揭開(kāi)自己神秘的面紗,。探測(cè)木星，除了需要探測(cè)器自身的良好性能外,，多少還是要有一些運(yùn)氣的,。而朱諾號(hào)的旅途也注定不平靜,，按照原計(jì)劃,，“朱諾”號(hào)要環(huán)繞木星軌道飛行 37 圈后，將于 2018 年 2 月 20 日完成自己的使命,，而一直到本文寫(xiě)作的 2019 年 11 月,，“朱諾”號(hào)剛剛完成了第 22 圈的環(huán)繞探測(cè)任務(wù),。顯然，朱諾號(hào)身上一定發(fā)生了一些意外,。原來(lái),，2016 年 10 月，NASA 發(fā)現(xiàn)“朱諾”號(hào)航天器燃油系統(tǒng)的一組閥門(mén)出現(xiàn)了故障,，本來(lái)計(jì)劃將進(jìn)行變軌從環(huán)繞木星 53 天的軌道加速進(jìn)入到 14 天的環(huán)繞軌道，不得不取消了,，“朱諾”號(hào)只能保持原來(lái)的軌道進(jìn)行飛行,。以這樣的速度環(huán)繞木星，到原計(jì)劃截止日,，“朱諾”號(hào)連一半的觀測(cè)任務(wù)都完成不了,。不過(guò)，好消息是,，盡管朱諾號(hào)沒(méi)有辦法進(jìn)行變軌,，但科學(xué)家們最擔(dān)心的儀器被木星高強(qiáng)度磁場(chǎng)損壞的事情卻沒(méi)有發(fā)生。NASA 的一個(gè)獨(dú)立專(zhuān)家小組經(jīng)過(guò)評(píng)估后,，目前“朱諾”號(hào)上面的探測(cè)器運(yùn)行良好,。在實(shí)際運(yùn)行中，朱諾號(hào)所受到的輻射比最初預(yù)期的要弱得多,。它搭載的相機(jī)目前仍然在正常工作,。因此朱諾號(hào)將任務(wù)延期到了 2021 年 7 月，我們依然源源不斷的收到朱諾號(hào)從木星發(fā)回的各種數(shù)據(jù),。而朱諾號(hào)確實(shí)也沒(méi)有辜負(fù)人類(lèi)對(duì)它的期望,，一個(gè)又一個(gè)振奮人心的發(fā)現(xiàn)改變了我們對(duì)于木星的看法。要是把朱諾號(hào)最主要的三個(gè)發(fā)現(xiàn)概括起來(lái),，恰好可以用三個(gè)顏色來(lái)說(shuō)明,，分別是紅、黃,、藍(lán),。這三個(gè)顏色，分別代表了木星的三個(gè)重大的發(fā)現(xiàn),，下面讓我一個(gè)一個(gè)來(lái)說(shuō)明,。要是讓你聯(lián)想紅色與木星的關(guān)系，我估計(jì)你馬上就能想到大紅斑,。眾所周知,，大紅斑是一個(gè)在木星大氣上層，比地球直徑還大的反氣旋風(fēng)暴,。有據(jù)可靠的證據(jù),，人類(lèi)觀察大紅斑的時(shí)間大概有 400 多年了，但是,，大紅斑那標(biāo)志性的紅色,，究竟是什么物質(zhì)呢,？我們并不知道。人們之所以對(duì)于大紅斑的顏色這么感興趣,，主要就是為了搞清楚了大紅斑的氣體成分組成,，而搞清楚了大紅斑的氣體成分組成，就能幫助我們解讀伽利略號(hào)最后 58 分鐘的數(shù)據(jù),。朱諾號(hào)的任務(wù)當(dāng)然會(huì)包括觀測(cè)大紅斑,，根據(jù) 2018 年 8 月《天文學(xué)雜志》上的一篇論文，朱諾號(hào)在探測(cè)大紅斑的時(shí)候,，發(fā)現(xiàn)大紅斑的內(nèi)部的氣體可以分成三層結(jié)構(gòu),，其中最深的一層氣體，在云層底部大約 160 千米的地方,，壓強(qiáng)可以達(dá)到 5 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓左右,，在這個(gè)區(qū)域中，水的冰點(diǎn)就不是地球上的零攝氏度了,，而是要低于零度,。在利用紅外光譜儀探測(cè)大紅斑內(nèi)部的最深層時(shí)，意外的發(fā)現(xiàn)了大紅斑內(nèi)部蘊(yùn)含著大量的水冰,。根據(jù)這一結(jié)論進(jìn)行的推算,，即使木星大氣中的水含量不足木星大氣成分的百分之一，木星所蘊(yùn)藏的水量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了地球水含量,，木星系統(tǒng)確實(shí)是一個(gè)非?！俺睗瘛钡南到y(tǒng),。而更令人震驚的是,，過(guò)去我們對(duì)于木星大氣層深度的知識(shí)，很可能也是錯(cuò)的,。以往科學(xué)家們對(duì)木星結(jié)構(gòu)的分析中,，大多數(shù)的科學(xué)家都認(rèn)為木星大氣層的深度最多只有幾百公里，再下面是一個(gè)固體核心,。但朱諾號(hào)在探測(cè)大紅斑時(shí),，朱諾號(hào)攜帶的微波輻射計(jì)（MWR），已經(jīng)穿透了大紅斑下方 350 公里,，但這似乎連大紅斑的表層都沒(méi)有到達(dá),。而根據(jù)朱諾號(hào)傳回來(lái)的數(shù)據(jù)，在木星的大氣向下一直可以延伸超過(guò) 3000 公里,，再下面則變成了金屬氫的海洋,，一直到木星的中心。
所謂的金屬氫,，是由于木星大氣層非常厚，到了一定的深度后，大氣壓強(qiáng)會(huì)非常巨大,，于是,，氫元素就不能保持穩(wěn)定的分子結(jié)構(gòu)，其中的質(zhì)子和電子可以移動(dòng),，變成一種導(dǎo)電物質(zhì),，產(chǎn)生了類(lèi)似金屬一樣的特性。而它的形態(tài),，就像我們地球上的金屬汞,，也就是水銀一樣的狀態(tài),。
這個(gè)發(fā)現(xiàn),，同樣改變了我們對(duì)于木星的認(rèn)知，過(guò)去我們一直認(rèn)為木星有一個(gè)固態(tài)的核心,，但這個(gè)發(fā)現(xiàn)讓科學(xué)家們開(kāi)始懷疑這個(gè)固態(tài)核心是否真的存在,，木星的核心有可能完全是有金屬氫構(gòu)成的。我們對(duì)于“氣態(tài)行星”的定義,，甚至都可能需要重新書(shū)寫(xiě)了,。
而大紅斑的紅顏色之謎，科學(xué)界也有了新的解釋,。根據(jù)人類(lèi)的觀察,，大紅斑的顏色并非固定不變的，而是按照之前科學(xué)家們的推測(cè),，大紅斑的紅色是和木星大氣中的硫化物有關(guān)。但是最新的研究表明,，大紅斑的顏色更有可能來(lái)自木星大氣中的氨和碳?xì)湟胰?/strong>,。一位名叫卡爾森的科學(xué)家，在自己的實(shí)驗(yàn)室用紫外線輻射這種混合物,，產(chǎn)生了與大紅斑更加匹配的光譜數(shù)據(jù),。他認(rèn)為當(dāng)太陽(yáng)光照射木星大氣上層的分子的時(shí)候,，甲烷分子就會(huì)斷裂重新組合成乙炔，然后乙炔再向下流進(jìn)由氨氣組成的云層,。在那里乙炔和氨氣會(huì)進(jìn)行光化學(xué)反應(yīng),，最終形成紅色的化合物。而大紅斑在木星白色的背景的襯托下,，紅色的顏色會(huì)顯得更加明顯,。卡爾森的假設(shè)是否正確,，可能很快朱諾號(hào)就會(huì)給我們答案了,。講完了木星的大紅斑。我們?cè)賮?lái)看朱諾號(hào)的另外一項(xiàng)新發(fā)現(xiàn),，也就是“黃”,。這個(gè)黃色指的不是木星本身，而是木星的衛(wèi)星木衛(wèi)一——艾奧,。艾奧外形整體上看是黃色的,，像極了灑滿蔥花的雞蛋餅，這主要是由于艾奧上充滿了致命的硫化物,，因此艾奧是不太可能存在生命的,。朱諾號(hào)在飛臨木星的過(guò)程中，也順便觀測(cè)了艾奧這顆衛(wèi)星,，目的是解決關(guān)于木星的另外一個(gè)謎題,，那就是進(jìn)入木星的高能帶電粒子從何而來(lái)的問(wèn)題。
木星外核的液態(tài)金屬氫產(chǎn)生的電流和木星的快速自轉(zhuǎn)賦予了它強(qiáng)大的磁場(chǎng),，木星的磁場(chǎng)強(qiáng)度大約是地球的 14 倍,，是太陽(yáng)系內(nèi)強(qiáng)度僅次于太陽(yáng)的磁場(chǎng)源。在距離木星表面比較近的地方,，由于磁場(chǎng)的作用形成了一個(gè)“輻射帶”,，這個(gè)“輻射帶”里充滿了高速運(yùn)動(dòng)的帶電粒子。木星的磁場(chǎng)就像一把大傘,，擋住了太陽(yáng)風(fēng)粒子的風(fēng)吹雨打，甚至遠(yuǎn)在 6 億公里之外的土星,，都會(huì)受到木星磁場(chǎng)的“保護(hù)”,。朱諾號(hào)在此次的任務(wù)中，環(huán)繞木星飛行時(shí)的軌道是經(jīng)過(guò)木星南北兩極的極軌道,。在最接近木星的區(qū)域,，朱諾號(hào)距離木星的大氣層只有 4000 公里。這樣的軌道設(shè)計(jì)讓它能避開(kāi)木星致命的等離子體環(huán)的大部分區(qū)域,，但還是會(huì)在某一個(gè)時(shí)段受到木星強(qiáng)輻射的影響,。因此,，朱諾號(hào)有一個(gè)重要的任務(wù)，就是找到木星的這些高能帶電粒子從何而來(lái)并且繪制出木星的磁場(chǎng)地圖,。負(fù)責(zé)繪制探測(cè)木星磁場(chǎng)強(qiáng)度的磁強(qiáng)針,，被安放在一塊太陽(yáng)能電池板的末端。朱諾號(hào)在環(huán)繞木星探測(cè)的過(guò)程中,，自身也保持著一種自旋的狀態(tài),，因此可以 360° 全方位無(wú)死角的探測(cè)到木星的磁場(chǎng)和高能粒子。正和科學(xué)家們所預(yù)料的,，在傳回來(lái)的數(shù)據(jù)中,，朱諾號(hào)發(fā)現(xiàn)，進(jìn)入木星的高能帶電粒子,，最大的來(lái)源并不是太陽(yáng),，而是來(lái)自這顆黃色的“雞蛋餅”星球。早在新視野號(hào)飛越木星時(shí),，就曾拍下艾奧上的特瓦什塔爾（Tvashtar）火山噴發(fā)的景象,，它噴發(fā)出的羽流高達(dá) 300 公里。而這次朱諾號(hào)通過(guò)紅外線更加精準(zhǔn)的觀測(cè)到艾奧噴發(fā)出的帶電粒子流,。從紅外線成像圖中,，能很清楚地看到火山活躍的區(qū)域。
這些火山噴發(fā)而出的“火山灰”,，每秒會(huì)將一噸的粒子射入到圍繞木星的軌道中,。當(dāng)木衛(wèi)一穿過(guò)木星等離子體環(huán)并與木星的磁場(chǎng)相互作用時(shí)，會(huì)在木星和木衛(wèi)一之間形成一個(gè)磁流管,，并在其中產(chǎn)生不穩(wěn)定的電流,。而產(chǎn)生的電流，足有 40 萬(wàn)伏特,，100 萬(wàn)-500 萬(wàn)安培,，這個(gè)功率相當(dāng)于幾千個(gè)大亞灣核電站的機(jī)組同時(shí)運(yùn)行的功率，所以科學(xué)家們形象的把這個(gè)磁場(chǎng)稱為行星發(fā)電機(jī),。
朱諾號(hào)在第 12 圈運(yùn)行時(shí),，要穿過(guò)電流如此之高的磁流管區(qū)域，在此之前,，還從未有過(guò)探測(cè)器經(jīng)歷過(guò)這么大電流的區(qū)域,，NASA 的科學(xué)家們都非常憂心忡忡的為朱諾號(hào)祈禱。幸運(yùn)的是,，朱諾號(hào)厚重的金屬鈦鎧甲,，保護(hù)了里面脆弱的探測(cè)儀器。朱諾號(hào)安全地通過(guò)了磁流管區(qū)域,，并且獲得了非常精確的讀數(shù),。進(jìn)入木星的高能帶電粒子,，由于木星磁場(chǎng)的作用，會(huì)運(yùn)動(dòng)到木星的兩極地區(qū),，形成極光,，形成機(jī)制與地球上的極光一樣。木星的極光是太陽(yáng)系中最明亮的極光,，輻射強(qiáng)度可以高達(dá) 100 太瓦,。
但與地球不同的是，這些極光主要集中在紫外線的波段,，而不是像地球一樣在可見(jiàn)光的波段,。而與地球極光更加不同的是，朱諾號(hào)觀察到木星的極光主要是由木星磁場(chǎng)中的湍流現(xiàn)象造成的,，是交流電產(chǎn)生的極光,，而不是直流電產(chǎn)生的。這說(shuō)明木星表面復(fù)雜的大氣運(yùn)動(dòng),，改變了木星的極光的形態(tài),。朱諾號(hào)還觀察到，與我們?cè)O(shè)想的不同,，木星南北極的極光的形狀是不同的,。在北極，極光更分散,，看起來(lái)更像細(xì)絲和耀斑,，就像我們地球上能看見(jiàn)的極光一樣。而在南極,，由于木衛(wèi)一艾奧噴射出的高能粒子的影響,，極光主要呈圓形或者其他的幾何圖形，偶爾還能看到一些亮點(diǎn)和類(lèi)似流星一樣的軌跡,。通過(guò)朱諾號(hào)的探測(cè)數(shù)據(jù),，我們現(xiàn)在已經(jīng)有了一張非常詳細(xì)的木星磁場(chǎng)分布圖。而且在它每圈運(yùn)行后,，磁場(chǎng)圖都會(huì)變得更加精確,。當(dāng)科學(xué)家們拿到這張木星磁場(chǎng)分布圖的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)了木星另一個(gè)很有趣的現(xiàn)象,，這也就是朱諾號(hào)任務(wù)中的“藍(lán)色”任務(wù)了,。
我們地球的磁場(chǎng)，是從地球的磁北極向外射出的磁感線,，繞地球半周后，回到地球的磁南極,。盡管地球的地磁極會(huì)發(fā)生偏移,，甚至調(diào)轉(zhuǎn),，但基本上，地磁南北極和地理南北極還是大致重合的,。但是根據(jù)朱諾號(hào)傳回來(lái)的信息,，木星卻不是這樣。木星的磁南極有兩個(gè),，除了一個(gè)在木星南極方向外,，另外一個(gè)竟然是在赤道的附近，被科學(xué)家們稱為“大藍(lán)點(diǎn)”,，這是木星上磁場(chǎng)非常集中的區(qū)域,。
將朱諾號(hào)的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，同之前的木星任務(wù),，比如先驅(qū)者號(hào),，旅行者號(hào)以及伽利略號(hào)所獲得的的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)做比較。我們發(fā)現(xiàn),，木星的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)隨著時(shí)間的推移而逐漸變化,，這在“大藍(lán)點(diǎn)”附近的區(qū)域最為明顯。
是什么造成木星的磁場(chǎng)那么的獨(dú)特呢,？2019 年 5 月發(fā)表在在《自然天文學(xué)》雜志（Nature Astronomy）上的一篇的文章,，給出了科學(xué)家們現(xiàn)在的一種解釋。與地球的大氣運(yùn)動(dòng)相比,，木星的大氣活動(dòng)就宛如一場(chǎng)巨大的海嘯,，這場(chǎng)永不停歇的木星大氣海嘯以最高達(dá)每小時(shí) 1200 公里的速度席卷整顆星球，從表面一直向下延伸到 3000 公里的大氣深處,。我們之前提到過(guò),，隨著深度的增加，壓力上升,，氣態(tài)的氫氣會(huì)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)金屬氫,，同時(shí)導(dǎo)致地表的溫度上升，從而使大氣內(nèi)的氣體發(fā)生電離活動(dòng),。木星深處高速運(yùn)動(dòng)的電離大氣風(fēng),，會(huì)與原本的磁場(chǎng)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并在此過(guò)程中產(chǎn)生附加感應(yīng)電流和磁場(chǎng),，從而導(dǎo)致原本的磁場(chǎng)被拉伸,，并從“大藍(lán)點(diǎn)”擴(kuò)散至整顆行星。
盡管從磁流體動(dòng)力學(xué)的角度出發(fā),，地球的內(nèi)部和木星的內(nèi)部差異巨大,，而且與木星相比，地球上的大氣基本不具有導(dǎo)電性,，大氣環(huán)流對(duì)地球磁場(chǎng)的影響沒(méi)有那么強(qiáng),。但是,，科學(xué)家們認(rèn)為，磁場(chǎng)演化的機(jī)制從物理本質(zhì)上來(lái)說(shuō),，其實(shí)是一致的,。因此，了解木星磁場(chǎng),，有助于揭示地球磁場(chǎng)的演化歷史和趨勢(shì),，這對(duì)于我們更加了解地球的過(guò)去與未來(lái)都有著重要的意義。目前朱諾號(hào)剛剛完成了第 22 圈的環(huán)繞木星軌道任務(wù),，盡管現(xiàn)在的探測(cè)儀器都正常工作,，但隨著朱諾號(hào)軌道越來(lái)越接近木星的大氣，進(jìn)入輻射帶范圍的時(shí)間也越來(lái)越長(zhǎng),，它肯定無(wú)法永遠(yuǎn)的持續(xù)運(yùn)行下去,。預(yù)計(jì)在 2021 年-2022 年，第 35 圈運(yùn)行之后,，為了避免它將來(lái)與木衛(wèi)二或者其他木星衛(wèi)星碰撞,，朱諾號(hào)選擇以主動(dòng)受控的方式墜入木星，永遠(yuǎn)消失在在木星的大氣層中,，正如它的先輩伽利略號(hào)那樣,。 我們也不需要太傷感，人類(lèi)對(duì)于宇宙探索,，是永無(wú)止境的,。在每一個(gè)天文項(xiàng)目的背后，都有一群默默無(wú)聞的人為之奮斗,。一位 NASA 的科學(xué)家,，在最理想的情況下，最多一輩子能參與兩個(gè)半的航天探索項(xiàng)目,，而朱諾號(hào)每次令人驚訝的觀測(cè)結(jié)果,，都是對(duì)參與朱諾號(hào)任務(wù)的所有工作人員最大的獎(jiǎng)賞了。我們期待著朱諾號(hào)能在日后傳回更多關(guān)于木星的數(shù)據(jù),，為我們解開(kāi)更多包裹在層層迷霧下的謎團(tuán),，而我也會(huì)持續(xù)關(guān)注朱諾號(hào)的后續(xù)任務(wù)。
|
