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《科学24小时》

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木星,不仅是一颗巨行星

2016-11-30 18:12:50


以罗马神话中的主神朱庇特(Jupiter) 命名的木星,注定不是一颗平庸的行星。

木星是巨大的——“如果你将太阳系中的一切全都放在一起(除了太阳),那么它们都可以被塞进木星内部。”木星也是美丽的——“明黄色的它在夜空中尤为醒目,它还有纠缠瑰丽的气体云和永不熄灭的极地烟火。”

几千年前,我们的祖先曾经凝视过它,命名了它;几百年前,伽利略还观测过它,并发现了它的四颗卫星。如今,我们终于可以贴近这颗美丽的庞然大物,一睹芳容。也许在它壮丽的表象背后,还隐藏着太阳系形成和演化的秘密。

远离太阳

木星围绕太阳一周需要12 年左右,正好是一个生肖周期,所以在中国古代它被称为“岁星”。它与太阳的距离要比日地距离远5 倍,因此在木星附近接收到的太阳能功率大约是地球附近的1/25。作为首个在如此遥远的距离仍使用太阳能为动力的人造飞船,“朱诺号”无疑面临着严峻的考验。

“朱诺号”的3 根太阳能帆板从其六边形的本体伸出,展开太阳能帆板后的飞船宽度超过20 米,总面积达60 平方米,足以为飞船仪器提供420 瓦的电力。除了在飞掠地球期间的短短数分钟内,它的太阳能帆板都一直保持着正对太阳的方向。如此大胆的设计得益于过去20 年间,人类制造太阳能晶片的发电效率有了超过50%的提升。当然,“朱诺号”本身也是一艘能源利用效率很高的飞船,能耗非常低。

庞然大物

虽然木星的质量只有太阳的千分之一,但与太阳系的其他行星相比,它仍是一个“巨兽”。无论从体积还是质量上来看,它都是太阳系最大的行星——其质量相当于太阳系其他行星质量总和的2.5 倍,地球质量的318 倍;它的直径大约是14 万千米,是地球极半径的11 倍,换算成体积就是地球体积的1300多倍。

对比木星的体积和质量,我们不难发现,木星的密度要比地球小很多。事实上,木星的密度大概只比水重30%。尽管密度比水大,但木星并不是一颗液体或固体星球,而是一个不折不扣的气体行星。在它的大气成分中,90%是氢,其余的主要成分为氦,还有少量其他元素——木星更像是一个“氢气球”。

既然木星是一个气体星球,那么人类发射的探测器自然就无法在它表面登陆了。有人猜想,木星表面充满氢气,那么在某个深度是否存在能够让探测器浮在上面的氢的“海洋”呢?抱歉,并不存在这种可能。这是因为木星表面的温度“太高”,无法让氢气变成液体,随着逐渐深入木星内部,气体才会“慢慢”变为液体。之所以是“慢慢”,是因为液体和气体浑然一体,形成一片迷雾,并不存在一个清晰的“海面”。

“大红斑”

作为木星表面的特征性标志,“大红斑”是这个行星上最大的风暴气旋,每6 个地球日按逆时针方向旋转一周。它的位置大致位于木星南半球,但在不断移动。“大红斑”的南北宽度大约为1.4 万千米,东西长度在不同时期有所变化,最长时达4 万千米左右,一般长度在23 万千米之间。在这团激烈的、沿逆时针方向运动的下沉气流物质中,含有大量的红磷化物,所以呈深褐色。


粒子流同样不可小觑,它们持续轰击着木星的卫星和光环。而木星磁层在朝向太阳的方向绵延100300 万千米,在背离太阳的方向则延伸超过10 亿千米。

为了尽可能减小强辐射对探测器造成的破环,保护敏感的电子设备,“朱诺号”首次采用了辐射防护电子舱的设计。电子舱由钛金属制成,大小和一辆SUV 的行李箱相当,重量超过200 千克。而在“朱诺号”顶部,设计人员还为它贴心地配备了1 厘米厚的防护层。飞船的指令与数据系统(相当于探测器的大脑)、电力与数据分发系统(相当于探测器的心脏),以及大约20 套其他电子设备都安装在辐射防护电子舱中。可即便如此,“朱诺号”的“眼睛”——照相机也会在环绕木星7 周后失效。

卫星众多

1610 1 7 日,伟大的意大利科学家伽利略,利用一台今天看来相当原始的望远镜观测到了木卫一(Io)、木卫二(Europe)、木卫三(Ganymede)和木卫四(Callisto),这4 颗卫星被统称为伽利略卫星。其中木卫二表面存在水,这不由得使科学家猜测木卫二上是否存在有原始生命形态。

最新数据显示,不包括那些“临时”卫星,木星共拥有“正式”卫星64颗,位居太阳系各大行星之首。而所谓的“临时”卫星,则是指那些由于接近木星而被它强大引力场临时捕获的小行星或者彗星。它们往往会围绕木星运行几天、几个月甚至几年,随后或是离开,继续它们原先的飞行旅程,或是坠入木星大气层被焚毁。

在木星赤道上空,还有3 道细细的光环,它们的亮度远不如土星光环。早在1971 年,人类就利用地面望远镜发现了木星光环,这些光环分为内环和外环,外环较亮,内环较暗,而且几乎与木星大气层相接。木星光环的主要成分是非常细小的尘埃颗粒,这些细碎颗粒很可能来自小行星与木星卫星之间的碰撞,它们也会环绕着木星公转。

虽然数百年来,人们一直在尝试对这颗星球进行详细解剖,但关于这颗气态巨行星,我们仍然有很多基本的问题有待解答:它是如何形成的、大气中含有多少水和氧气、内部结构究竟如何、强大的磁场是如何形成的、极光产生的机制是什么……在深厚的云层和猛烈的风暴下方,依旧隐藏着许许多多有关木星的身世,以及整个太阳系形成历史的未解之谜。也许这一次,“朱诺号”会给我们提供部分答案。

 

木星探测大事记

1610年:伽利略进行了首次详细的木星观测。

1973年:“先驱者10号”飞船成为首个穿越小行星带的人类航天器,并飞掠木星。

1979年:“旅行者1号”和“旅行者2号”飞船发现了木星暗弱的光环,以及几颗新的卫星,并发现在木卫一表面存在活火山爆发。

1994年:世界各地的天文学家和“伽利略号”探测器,共同观测了“舒梅克-列维九号”彗星撞击木星南半球的全过程,这是人类首次全程目睹一次天体碰撞。

1995年:“伽利略号”探测器抵达木星,首次对木星大气开展直接探测,并对整个木星系统进行了详细考察。

2016年:“朱诺号”探测器成功进入木星轨道。

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