第21章 一窥木星的探测器(1)

木星是太阳系九大行星中最大的一颗，直径达 1428万千米，体积是地球的1316倍，质量为地球的318倍。在地球上用望远镜可看到木星表面有连绵不断而又明亮的条纹形状。它拥有浓厚的大气层，厚度超过地球大气层的10倍，足有1万千米。木星大气成分主要是氢和氦，还有氨、甲烷等。由于木星的表面温度在-140℃左右，所以尽管氢气和氦气不会因寒冷而液化，但氨和水分却都冻结成颗粒状，这就构成了木星的厚厚云层。木星的表面除了条纹之外，还可看到呈卵圆形的“大红斑”，它长有5万千米，宽有11万千米，大小、颜色和位置在不断变化，它的形成始终是个谜。

美国宇航局2008年11月宣布，已将木星定为下一个探索天空的远大目标，NASA将在2011年8月发射一个新的木星探测器“朱诺”，展开对木星的深入探测，该探测器首先绕地球运行至2013年，利用地球引力将“朱诺”弹射到外太阳系；预计在2016年中期到达木星轨道。此后，“朱诺”每年大约绕木星运转32圈，探测木星内部的结构情况；测定木星大气成分；研究木星大气对流情况以及探讨木星磁场起源和磁层，通过它的探测，科学家希望了解木星这颗巨行星的形成、演化和本体内部结构以及木星卫星等。全部任务计划于2017年10月结束。

“大块头”木星

1973年4月6日，美国发射“先驱者11”号探测飞船，执行飞掠木星（1974年12月）和土星（1979年）的使命；1977年8月20日又发射了“旅行者2”号探测飞船，半月后又发射“旅行者1”号探测飞船。后发射的“旅行者1”号于1979年3月5日先行到达木星，同年7月9日“旅行者2”号也到达木星。

“旅行者1”号从距木星云顶286000千米上空飞越，提供了木星系统的新信息。木星的大气是复杂的，由氢和氦组成的稠密大气层之上是色彩斑斓的云层；木星大气的运动比预计的更加汹涌，似乎受到云顶底下深处某种力的控制；足以容纳几个地球的大红斑，是一个巨大的大气风暴，每隔6天沿逆时针方向转动1次；已发现木星周围有一个29~30千米厚的薄环。最大的意外是，在木卫1这个木星卫星上至少有9座活火山，有些火山的火焰高达280千米。其他已调查的木星卫星包括木卫3、木卫2和木卫4。木卫3的直径达5200千米，比土星卫星土卫6大，是太阳系内最大的行星卫星。

一窥木星的探测器“旅行者2”号从距木星云顶643000千米之内飞越木星，探测了条纹状的云、红斑、“白卵”、木星环（“旅行者1”号已发现的）和木卫1、木卫2、木卫4、木卫3和木卫5，另外“旅行者1”号和“旅行者2”号还发现3颗新的木星卫星、极光和像地球上特大闪电一样的云顶闪电。

木星的密度很低，只是地球密度的024倍，对木星的就近探测证实它的主要成分是氢和氦。它是一颗由液态氢构成的巨大星球，除了有一个很小、可能是熔融的岩核以外，没有探测到任何的固体表面。

木星大气中，82％是氢，17％是氦，其他成分仅占1％左右。这层大气层厚度约965千米。在木星云顶层之下965千米处，气态氢在1999℃的温度和巨大的压力下，变成了液态氢；大约在25000千米的深处，液态氢在11000℃的温度和300万个大气压下，变成了固态金属氢。木星上的氢和氦挥发得很少，基本上保持了原始星云的化学组成，内部是处在高温高压下的液态氢。

虽然“先驱者”和“旅行者”姐妹探测飞船成功地拍摄了有关木星及其卫星外貌和大气层的大量清晰照片，把人类对木星的认识向前推进了一大步，但是由于木星的云顶比较厚，无法弄清大气下层气体的状态，无从了解大气层内部各种状态参数随高度的变化，至今仍有许多奇特的现象无法得到合理的解释。

木星是一个很远的天体，离地球约63亿千米，但很明亮，亮度仅次于金星，用肉眼可看到。在古代，天文学家就发现了木星。

已知木星自转周期只有约9小时50分钟，比地球自转周期快25倍；但它绕太阳公转周期是1186年，平均运行速度每秒1305千米。

木星周围有厚厚的稠密大气，表面常年呈现数条色彩斑斓的彩带和不断变化的红色斑纹区。它是太阳系中最大的一颗行星，体积比地球大1300多倍；质量相当于318个地球，几乎等于太阳系其他行星质量总和的25倍。从质量、成分和平均密度很小来说，木星和地球以及水星、金星、火星等类地行星均十分不同。根据以前获得的资料，木星不仅在成分上与太阳颇相似，而且在结构上也有相似之处。科学家们设想，在46亿年前，太阳云气体尘埃凝聚成太阳系时，9986％的物质组成太阳，成为太阳系的中心天体，剩下的大部分组成木星，其他部分组成另外的行星和各种小天体。木星拥有16颗卫星，它和它的卫星构成的木星系统，就像一个小型的太阳系，科学家又推测木星系统的形成过程和太阳系的形成过程类似。

如果在形成太阳系时，最初云团中各成分比例均匀的话，由于木星质量特别大，氢气等较轻元素不易逃出它的引力场。因此木星的元素成分与46亿年前形成时应大致相同。从这个观点出发，科学家们制定了一系列木星探测计划，希望通过对木星的就近探测，直接测定木星大气中各种气体成分及其特性。搞清楚氢和氦在其大气中所占的比例，对研究太阳系的起源和演变会有极大帮助。

木星能量

对木星的考察表明：木星正在向其宇宙空间释放巨大能量。它所放出的能量是它所获得太阳能量的两倍，这说明木星释放能量的一半来自于它的内部。木星内部存在热源。

太阳之所以不断放射出大量的光和热，是因为太阳内部时刻进行着核聚变反应，在核聚变过程中释放出大量的能量。木星是一个巨大的液态氢星球，本身已具备了无法比拟的天然核燃料，加之木星的中心温度已达到了28万K，具备了进行热核反应所需的高温条件。至于热核反应所需的高压条件，就木星的收缩速度和对太阳放出的能量及携能粒子的吸积特性来看，木星在经过几十亿年的演化之后，中心压可达到最初核反应时所需的压力水平。

一旦木星上爆发了大规模的热核反应，以千奇百怪的旋涡形式运动的木星大气层将充当释放核热能的“发射器”。所以，有些科学家猜测，再经过几十亿年之后，木星将会改变它的身份，从一颗行星变成一颗名副其实的恒星。

“伽利略”号木星探测器

1989年10月18日，美国宇航局用“亚特兰蒂斯”号航天飞机将“伽利略”号木星探测器送入轨道，这是美国宇航局第一个直接专用探测木星的航天器。

“亚特兰蒂斯”号航天飞机示意图资料显示，“伽利略”木星探测计划始于1978年，而最初计划则始于1982年1月发射，后来因为经费不足、飞行设计修改和航天飞机发射失败等原因而先后9次变动计划，致使发射一再推迟。

“伽利略”号探测器示意图

资料显示，“伽利略”号探测器呈不规则长形体，总重约2717千克，由木星轨道器和再入器两部分组成。后在到达木星前约150天时，两者分离，轨道器环绕木星运行探测；再入器深入木星大气层考察。

该探测器的轨道器是由美国的喷气推进实转室设计、制造和操作的，其总重为2378千克，在正常的情况下以315转／分自旋稳定。其中的主要设备为：

（1）推进舱，包括一个机动推力器和一个单一入轨推力器，与推进剂一起共重约1185千克。

（2）2台放射性同位素热电偶发电机，可提供0～480瓦的电力。

（3）一个约5米直径的高增益地球通信天线，用S和X波段与地球通信，定向精度为01度。

此外，轨道器上还装有很多精密的探测仪器，主要包括：

（1）CCD摄像机，发回的照片清晰度比“旅行者”探测器的高20～1000倍，可分辨出木星卫星表面30～50米范围的细节。

（2）近红外绘图分光计，可探测出氮、磷化氢、水、甲烷、锗等组分。

（3）紫外分光计，它能探测出氮、氢和氧等。