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朱诺号木星探测器:进击吧,屠龙勇士!

2019-10-31 作者:科学动态   |   浏览(110)

香江时间二〇一五年十5月5日11时18分——美利哥北部时间七月4日、亦即美利坚联邦合众国“独立日”当天23时18分——朱诺号(Juno)罗睺探测器将张开其装配的Leros 1b首要推荐进器,持续推进35分钟,完毕水星轨道接入(JOI)机动。那是朱诺号升空1796天以来,最主要攸关的少时。

图片 1朱诺号探测器成功达到金星。图片来自:NASA

那是八个二回性的机会:借使成功,朱诺号将被木星的重力捕获,步入俘获轨道,经过生龙活虎层层的变轨,最后于二零一八年1月进来开展预订探测职分的无误性轨道;纵然退步,它将永世失去步入金星轨道的机缘,只可以在绕日轨道寂寞终老。

通过近5年的高空航行,U.S.A.航空航天局(NASA)的朱诺号(Juno)探测器,成功飞抵太阳系最大的行星——罗睺。持续35分钟的主引擎开火减速之后,法国巴黎时间不久前(3月5日)早晨11:53,朱诺号探测器成功步向环绕火星运营的轨道。

图片 2JOI之后,从罗睺北极俯冲而下的朱诺号,音乐家想象图。图片来自: NASA/JPL-Caltech

朱诺号上的主引擎Leros-1b能够提供645Newton的推力,持续35分钟的肇事让探测器的快慢放缓了542米/秒,使得探测器能够被木星的重力所俘获。开火成功后快捷,朱诺号调节了态度,以便让阳光再度照射到探测器携带的十分大太阳光能板上,为朱诺号接下去的不错探测提供电力。

近来来大家曾经见闻了太多太阳系探测职务的壮举——一九九八年发射的Saturn探测器卡西尼号,达到土星已经12年有余,到现在仍在发回Saturn家族的高清大图;二零零三年发出的机遇号罗睺车,原定职务时间长度7个月,而它到现在依旧金星表面巡弋;二零零六年发出的新视界号探测器,在下焕发青阳春度飞掠冥王星之后,已经踏上了前往柯伊伯带更加多小天体的深刻道路。

现在多少个月内,朱诺号的天职及准确协会将对探测器上的子系统进行末段的检查测量试验,对科学设备实行最终调节和测量试验,并起先搜集一些颠簸不破数据。

咱俩就像已经习贯于观察探测器们无畏的挑衅极限,二遍又三回的超期入伍,为我们带来更加的多快乐。不过在朱诺号前面,那样的讨论也许来得有一点点严酷。

水星探测史

朱诺号并不是率先个到达水星的探测器。以前,已经有几许个航天器从罗睺周围经过,最先的一个是一九七三年飞掠水星的先行者10号。以至,朱诺号也毫无第五个围绕火星的航天器。早在壹玖玖叁年,NASA的伽利略号探测器就达到了围绕Saturn的轨道,还向罗睺的大气层中自由了风流洒脱枚重340公斤的探测器,发回的数码表明金星上风力苍劲且湍流不断,并精密地质衡量量了火星大气的化学成分。

在围绕木星飞行的8年时间里,伽利略号探测器证实了那般一个视角,即金星纤弱的光环由土星最内侧小卫星上吹起的灰土颗粒构成。它还在木卫生机勃勃(Io)的火山上测得了高达2800度的高温,而且找到了任何3颗大卫星——木卫二(Europa)、木卫四(Callisto)和木卫三(Ganymede)冰面以下存在海洋的凭证。

朱诺号是第二个围绕罗睺张开探测的航天器。与伽利略号不一致,朱诺号的准则将透过水星的两极,让大家能够第二次中远间距观测Saturn的极区。在三遍又一回从火星云层的顶层上方中间隔擦过的时候,朱诺号将度量微波辐射、重力场和磁场,让物教育学家有时机生机勃勃窥水星内部深层的协会。

图片 3哈勃空间望远镜拍录的罗睺极光,朱诺号探测器将中远间距观测这个极光,增长大家对此土星磁场的驾驭。图片来自:NASA, ESA, and J. Nichols (University of Leicester)

朱诺的天职

朱诺号的严重性指标是探听罗睺的来源和嬗变。依靠它所引导的9台科学设备,朱诺号将暗访火星是还是不是富有叁个固态行星内核,绘制水星强盛磁场的布满图,度量大气深处水和氨的含量,并察看那颗行星上的极光。那项职责还将援救大家更进一竿询问巨行星怎样演进,精通那么些行星一代天骄在日光系别的部分形成的进度中起到过什么样的效用。作为气态巨行星的最根本榜样,金星还将提供首要知识,扶持大家明白太阳系外其余白矮星左近正在不停开掘的行星系统。

JOI的降临,既声明着朱诺号就要进入欢乐的正经八百科学探测阶段,也注解着它剩余595天寿命尾数计时的始发。朱诺号,从一起始就注定是贰个早逝的喜剧英豪。

找水

关爱月孛星上有未有水,宛如不怎么意想不到,但那实在是朱诺号的地文学家关注的重大难题之后生可畏。

在水星上,NASA的国策是找水,那决定了金星上是还是不是早就存在过适宜生命生存的情况。而罗睺,由于引力一点都不小、辐射极强,显明不合乎生命生存。然则,物军事学家对罗睺上的水产生兴趣的缘由,并不是人命。

科学家关切的难点莫过于是,“氧去哪了?”木星上的多方面重元素,比方氮和碳,含量都比太阳上高得多,唯独氧成分很难得。因而,地翻译家预期,水星上的氧原子大概与氢原子结合成了水分子。

朱诺号探测器将对Saturn发出的微波辐射进行度量,那将揭破Saturn内部的热度有多高,并揭露有稍许水藏在那,因为水分子会收到微波。

假定朱诺号找到了大批量的水,那就代表月孛星变成于远隔太阳的冰凉区域,后来才迁移到了当今所处的守则上。

那为啥相比太阳,月孛星会含有越来越多的重成分呢?那也是叁个未解之谜。二个借口感觉,更重的因向来自于流星,它们撞入了金星,被罗睺摄取了。

图片 4除外科学设备以外,朱诺号上还带走了3个特制的乐高人偶,从左往右分别是伽利略、朱诺和朱庇特。图片来源于:NASA

因为它前面包车型大巴,是高大雄浑的金星。

火星之心

Saturn的基本有没有壹个岩石内核呢?

衡量Saturn的引力场,将揭露木星内部品质的遍及景况。借使这里真有一个岩石主题,那行星科学家就只好解释岩石星球怎么样能够在太阳系那么早的时期就造成。如果未有岩石宗旨,那月孛星就产生于气体云的坍缩,跟太阳的演进进程大致。

图片 5新视线号拍录的水星。图片来源见水印。

金属氢

水星大概全盘由氢和氦构成——这是大自然中最简便的三种成分,也是含量最丰盛的三种因素。

冷却氢和氦那二种气体,它们会成为液态。而在罗睺内部,地文学家以为氢还恐怕会经历另三个相变,产生后生可畏种金属。地农学家还向来不力量在地球上创设出金属氢。

在实验室里,氢已经被挤压到了压强高达每平米数十亿公斤力,却依旧积非成是地保持着非金属态。水星内部的压强要比地球实验室里能够落成的压强高出数十倍。

罗睺的磁场或许就由金属氢中的电流产生。通过钻研土星的磁场,科学家将有机缘眼线这种离奇物态的表征。

图片 6欧洲南方天文台拍戏的红外波段罗睺影象(左图),和天文爱好者大致同期拍摄的可以知道光波段紫炁星印象(右图)。红外影像揭破了金星云层以下的意气风发对结构,而朱诺号将考查金星发出的微波辐射,能够探测火星云层越来越深处的在那之中构造。图片来源:L. Fletcher / 达米安 Peach / ESO.

以布拉格旧事中众神之王朱庇特(Jupiter)命名的土星,不是后生可畏颗平庸的行星。它的材质比太阳系中全部别的行星之和更加大。它依然不屑于做行星之王:假诺不是在几十亿年前太阳系产生这一场气体争夺战中憾负,它以至大概变成太阳之外,那一个体系中第二颗能够激起氢聚变的恒星。

20个月,37圈

朱诺号就要长椭圆轨道上围绕金星运转2圈,每大器晚成圈的周期为53天。1月二十七日,朱诺号将再度运维斯特林发动机,转移到一条周期为14天的轨道上,早先得到科学衡量数据。遵照如今的布置,环绕金星第37圈时,也正是二零一八年四月10日,朱诺号将积极向上坠入罗睺大气层,进而结束这一次探测职务。

花了5年岁月才飞抵紫炁星,耗费资金11亿英镑的朱诺探测器,为何只探测22个月就准备要“壮烈”呢?

案由在于,朱诺号探测器比往年怀有去过罗睺的探测器都要特别临近水星,由此会受到Saturn周边辐射带中高能带电粒子的炮击。尽管朱诺号在设计时就思虑到了辐射难题,特地安顿了140千克重、SUV游览车大小的钛制防护罩,但随着职分的开展,朱诺号探测器上的电路会受到越多高能粒子的第一手冲击。最特出的情况下,职责有极大可能率延迟数月,但探测器上的电子零件应该坚威武不能屈不了太久。

那干什么又要选拔“自杀”这种宏大的形式来了却职务吗?

原先的伽利略号探测器,在产生职务之后,也以平等的措施坠毁在了火星大气层中。那为了确定保障来自地球的探测器不会意外坠毁在木卫二上。木卫二被视为是太阳系里最有比超大希望存在生命的地点,那里的冰层之下存在一片液态水的大洋。即使朱诺号意外坠毁在这里边,从地球上“偷渡”过去的微生命,就有希望污染那片海域。

无论怎样,已经到达罗睺的朱诺号探测器,将刷新大家对此金星以致大家太阳系的回味。(编辑:Steed)

哪怕错过成为白矮星的机会,木星也足以令人惊讶:它外核的液态金属氢电流赋予了它强盛的磁场(磁矩为地球的2万倍),就像在太阳风的洪流中撑起了后生可畏把巨伞。那把称呼“水星磁层”的彗状巨伞其形之巨,足以装下数个阳光,其长尾居然远及4个天文单位(6亿海里)外的Saturn轨道——那使得水星磁层成为太阳系中,除太阳风在星际介质中淘出的血泡“日球层”之外,最大的总是组织。假若大家能在地球上目视水星磁层,大家会意识它比日月盘面还要大5倍以上。

图片 7火星磁层结构及视尺度暗暗表示图,Neil Tysonet al., 'One Universe', 何塞普h Henry Press。图片来源于:作者供图。

不,月孛星磁层并非太阳风洪流中大器晚成湾宁静的避风港。

木卫豆蔻年华(Io),那颗间隔罗睺近年来的伽利略卫星,在水星宏大的潮汐力凌虐下,好似豆蔻年华颗被揉烂的柑儿:它不断的火山活动每一年向木星周边注入数千万吨二氧化硫,那一个气体任何时候便被电离成为硫离子、氧离子、电子构成的等离子体,并在土星磁场的禁锢下随水星一齐转动,产生温度可达百万度、拱卫金星的等离子体环,向外延展达数十一个木星半径(200余万英里)。

图片 8上左:卡西尼号拍戏的金星与木卫生龙活虎;上右:新视界号拍片的正在喷射的木卫意气风发;下左:木卫一发生等离子体环及对金星磁场影响暗示图;下右:木卫一发出的等离子体环中硫离子布满观测结果。图片源于:我供图。

在相距木星较近处,等离子体波与等离子体环东方之珠中华电力有限公司子的互相功能将电子加快降临近光速,发生猛烈的同步辐射——这里被喻为“辐射带”。二零零一年依据卡西尼号飞掠观测结果刊登的生龙活虎篇《自然》小说表示,辐射带中的电子温度最高可达千亿度(20MeV)。不识抬举的人类探测器风流倜傥旦触及辐射带中的高能粒子,就能够促成都电子通信工程大学子零件的物理侵凌,直至完全失灵。

但是3月十一日,朱诺号已经突入火星磁层顶激波面,犹如独骑挑衅恶龙的勇士,越来越靠拢Saturn,和它相近烈焰熊熊的城市建设。

图片 9朱诺号步入金星磁层前后,情况电子密度骤降。但随着朱诺号周边金星,示踪电子密度的等离子体振荡频率还将升任2-3个数据级。图片来自:小编供图。

朱诺号当然有筹划而来。

它的心脏,是RAD750抗辐射管理器。它能担负100万倍于足以至人死地的辐射剂量,在木星相近的强行情状中,估计15年才会冒出三回“蓝屏”。

它的铠甲,是1毫米厚的金属钛壳,总重180公斤。绝超越57%科仪都在钛壳的保护下,使其蒙受的辐射强度收缩800倍,至电子零件可选用水平偏下。

它的姿态保持,未有行使成熟的反成效飞轮方案,而是选用略显复古的自旋稳固方案,以节约反作用飞轮所吞噬的发射品质,为更富裕的钛壳、更加多的科仪和更充沛的推动剂让出空间。

图片 10朱诺号的钛壳。图片来源于:小编供图。

朱诺号的利刃,也将直刺“恶龙”身上唯少年老成一块“鳞片”掉落暴露的软肋。

天史学家使用美利坚联邦合众国新墨西哥州的吗大射电望远镜阵(VLA)对金星左近的同步辐射进行了观测。他们发觉,半径约7万公里的罗睺云顶之上,到环形辐射带中间尚有数千英里的缝缝,尽管能从计都星两极俯冲而下,正确的通过那些裂缝,就足以既隐敝了强辐射对电子零件的杀害,又达成差相当的少紧贴火星表面飞过,进而赢得最高分辨率的土星探测结果。

图片 11VLA 2、3、6cm七个波段合成的伪彩色金星图像,可以见到环绕罗睺的辐射带,及火星与辐射带中间的狭缝。图片来源:小编供图。

那正是Saturn脱落的这块“龙鳞”,朱诺号必须射中。

与朱诺号数亿海里的路上相比较,那是数十特出之意气风发的针孔;何况朱诺号在紫炁星的兵不血刃重力势井中,将改成年人类史上速度最快的航天器,速度超过70 km/s。不用说,要在高速下精确穿越这么些针孔,要求极精准的总结、极正确的机动。

朱诺号发射重量为3625公斤,当中国船舶燃料供应总公司料与氧化剂总分量为2032千克,占总重二分一还多。但那么些燃料只可以为探测器带来一齐二〇〇二m/s的进程改换,用有些少一些,需求特意总括。

图片 12左:Atlas V 551火箭;右:朱诺号,可以见到球形的燃料仓和尾部的主斯特林发动机。图片来自:作者供图。

让朱诺号飞向木星的重大动能来源当然不是那区区一点自带的推动剂。二〇一一年十二月2日,带领朱诺号升空的,是Atlas V 551型火箭。作为已经把新视界号探测器送往冥王星的同款火箭,它给朱诺号注入31.1 km²/s²的发射能量,将其送入约2年周期的绕日轨道。那条轨道的远日点在金星轨道之外:在那,朱诺号施行了三次深空机动,使探测注重新瞄准地球飞了回来。那五次深空机动消耗了朱诺号730 m/s的快慢改换预算。

图片 13朱诺号重返地球进行重力弹射时对地球和光明的月拍戏的触目皆是画面。图片来源于: 作者供图。

二〇一三年5月9日,朱诺号与地球相距仅559英里擦身而过,在地球的引力弹射成效下,朱诺号获得了7.3 km/s的速度增量,那本事有了出门Saturn的力量。在飞经地球前后,朱诺号抓紧开机测验了它所指引的科仪,为发展水星做好计划。

从此以后朱诺号苏息了791天,直到二〇一四年11月5日,迫近罗睺前三个月,苏醒了。为了实行十月5日的金星轨道接入,朱诺号需求超前2个月开首流入燃料、加热管线,提前7天张开用于幸免流星体的引擎敬重罩,并将电瓶充满以备不测。

图片 141四月二十八日,朱诺号在620万英里处拍片的罗睺和伽利略卫星。图片源于:我供图。

接下来便是逆龙鳞、穿针眼的罗睺轨道接入(JOI)了——那将开销朱诺号542 m/s的速度改良预算。朱诺号布置从水星北极急迅俯冲而下,在木星表面(1 bar水准面)上空4200英里处擦过,如果飞低了,搞不佳直接撞上土星,卒;即使飞高了,就需求利用已经剩下没多少个的燃料实行调节,后续的科学任务恐将受到震慑。

在JOI开火前半个小时,朱诺号调节姿态,将主引擎对准预约的肇事方向。为此朱诺号必须要把对地电视发表的老将高增益天线移开对地方向。在JOI期间,朱诺号只可以用低增益天线发送小量事先约定的“暗号”,告知地球它的职责举市场价格况;美利坚合营国高尔德斯顿和澳大雷克雅未克联邦(Commonwealth of Australia)林茨的两架深空通信天线相同的时候留神注视着它。那时候,水星和地球之间的因个别光速而产生的报道延迟是48.3分钟,约等于说不论JOI成功与否,大家能做的,只是等待。

JOI成功之后,朱诺号将跻身周期53.5天的计都星俘获轨道。如此绕行两周随后,二〇一六年1月二二十五日,朱诺号将进行其最后一回主要变轨,用350 m/s的快慢改造预算,来兑现踏入周期约为14天的正确轨道。

图片 15上:罗睺轨道接入、俘获轨道、科学轨道等阶段;下:科学轨道的进动。图片来源于:见水印。

在那里,朱诺号将连戳罗睺的“无麟软肋”三16次:它布置用前3圈完结轨道的鬼斧神工资调治节,然后用8圈完成对Saturn表面每间距48°经度的8个窄条的观测;再用8圈将考察区域间距降低到24°;再用16圈将其减弱到12°。在每风度翩翩圈科学轨道的约两周时间之内,朱诺号独有最相符计都星的6-8个钟头本领使得的开展正确考查;但那32圈科学轨道编织的“鸟笼”,足以把整个罗睺表面归入囊中。最后风度翩翩圈,朱诺号将查遗补漏,听候地球指令选拔感兴趣的区域实践最后的洞察。

图片 16对的轨道中,近木点左右实际打开正确侦查的清规戒律间距暗中表示图。浅湖蓝和花青分别代表前16圈和后16圈。图片源于: NASA/JPL/Caltech

而金星那只巨龙又焉能善罢截止。由于金星的便捷自转,它的形状严重偏离正球体,而是呈风流罗曼蒂克扁球形。这种不对称的身分布满将不断的效果于朱诺号的金科玉律,反逼其准绳平面不断进动、轨道周期不断缩水、近木点中度不断扩展——是的,罗睺在一步步把朱诺号推向辐射带的烈火。到第36轨,朱诺号近木点中度已经从4147英里增到7950英里,每轨所受辐射剂量也随之大增了好数倍:前16条准确轨道受到的总辐射剂量仅为后16条的56%。

图片 17蓝线表示朱诺号负担的总辐射剂量随绕木轨道数的充实而充实的预期。图片源于:作者供图。

即使有钛壳护体,恐怕不是颇有的不利载荷都能捱得过辐射带的炙烤。在最坏情状下,月孛星红外极光测量绘制仪(JIRAM)大概在第8轨之后就报废,微波辐射计(MWENVISION)也可能只好活到第11轨。朱诺号指点的唯意气风发意气风发台可以看到光相机JunoCam的画质也将进一步糙,直到被坏点和噪音填满。

竟然朱诺号强壮的心脏也一定会将不敌木星辐射带的伟力。要是变成预订观测义务之后任由朱诺号在金星周围飞行,它终有一天会心衰而亡,成为飘荡在火星附近意气风发具安静的遗体。那是NASA行星爱抚守则不可能容许的:朱诺号指导有毒的燃料,生机勃勃旦失控并临时坠毁在Saturn的卫星上,将会传染它们只怕孕育生命的冰下海洋。因而朱诺号唯生机勃勃的结局只好是功成身死,受控烧毁在金星深入的大气层中。

那将是2018年十二月八日,飞船时间11:39。

图片 18电影《欧罗巴告诉》剧照。木卫二欧罗巴具有冰下海洋,以至大概孕育生命。图片来自:作者供图。

屠龙勇士的悲痛只是它本人的,巨龙自己照旧不会专心到它的存在。唯幸人类将从它的殉难中赢得累累:

朱诺号将接纳微波辐射计(MWLX570)研商火星云顶之下的藏匿结构。早先聊起的VLA对木星观测应用2、3、6毫米八个波段,能探测到火星云顶之下几十英里的组织;而MWPRADO使用最长50 cm的波长举行考查,将能穿透550 km的云层,看见火星大气深处的场馆。MWQX56还能够衡量金星大气中国水力电力对民企业和氨气的丰度,为Saturn演变理论提供基于。

朱诺号将要飞越水星表面时,持续吸收接纳地球发来的时限信号并及时苏醒,让地球能经过记录往来复信号的开普勒频移,估摸朱诺号受到火星重力推抢导致的进度特别,进而总结出水星内部的成色布满。由于United States深空网唯有第25号天线能够执行此项操作所需的Ka波段通信,该项操作又一定要实时衡量,风姿洒脱旦观测日当天受天气影响不能够观测,就能够产生不可能弥补的数据损失。

图片 19朱诺号利用开普勒频移衡量金星动力场暗中表示图。图片来源于:作者供图。

朱诺号的太阳电瓶板末端安装的磁力计形如黄金时代把宏伟的尖刀,它将对木星表面和当中磁场实行高精度的衡量。由于朱诺号覆盖金星环球的法规规划,朱诺号磁力计也将有机缘度量木星三个维度磁场布满,进而获取除地球以外最精美的行星磁场观测结果。

图片 20朱诺号的磁力计。图片来源:小编供图。

朱诺号在碰着辐射带高能粒子杀伤的还要,将会标准的笔录下高能粒子的花色和能谱分布;在飞越两极的同不时候,朱诺号还将精研Saturn的极光进程。

图片 21嘿勃望远镜拍戏的金星极光紫外影象。Io spot等水星极光中的若干亮斑是水星磁场受到Saturn卫星直接影响的凭据。图片来自:作者供图。

为直达朱诺号的不错指标,本身并无需可知光观测仪器。但不辞劳苦飞往火星而不拍点美观的图回来,几乎是意气风发种违规。因而朱诺号照旧教导了风流倜傥款科学普及用途的小相机JunoCam。它亦能够TucsonGB三色记录全彩色影象,还将附带观测异丁烯的890飞米摄取谱带。不过,还请稍安勿躁,JOI的时候具有科仪都将维持沉默,JunoCam也不会记录图像。JOI之后JunoCam第三回记录印象,将会是二〇一四年十一月十三日。到二〇一六年八月以往,JunoCam就就要每一种近木点前后常态化拍摄并发回影象,那一个形象将活动发表在美利哥西南研商所(SWLANDI)的朱诺号职分页面上。届时,公众还将得以通过线上投票,为JunoCam选定今后的雕塑对象。(编辑:Sol_阳阳)

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