「朱諾」尋「夫」探木星 | 星星背後的物理（十一）
?朱諾號
撰文 | 張天蓉（美國德州大學奧斯汀分校理論物理博士） 責編 | 魏朝博 審校 | 張雙南（中國科學院高能物理研究所研究員） 鄭永春（中國科學院國家天文台副研究員）
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在羅馬神話中，朱庇特雖然情人和崇拜者眾多，妻子卻只有朱諾一個。傳說朱庇特施展法力在自身的四周拉起了雲彩而隱藏其中，美麗而智慧的朱諾卻可以看穿雲霧洞察真相，揭露朱庇特的真面目。這也正是行星科學家們研究木星（Jupiter，朱庇特）的目標和願望。木星被厚厚的雲層包圍，成年累月地刮著可怕的風暴。風暴之下隱藏著些什麼？木星的真面目如何？「夫人」朱諾也許能夠一探究竟，揭露這顆巨星的秘密。因此，行星科學家為他們的這個木星探測器取名為「朱諾號」。
「朱諾號」並不是第一個飛向木星的人造航天器。在它之前，已經有8個航天器拜訪過木星。兩個「旅行者」、兩個「先驅者」、「伽利略」、「尤利西斯」，「卡西尼」、「新視野」等。「朱諾」號是造訪木星的第9位地球來客，也是第2位被指派「常駐」木星軌道的人造航天器。
除了「伽利略號」之外，「朱諾」之前的大多數航天器去到木星，只是為了「順訪」和「加油」。木星家大業大，接待個把客人不在話下，還可以順便給客人來個「引力助推」，施捨一點能量，增大速度，讓它們順利到達目的地，完成人類賦予的使命。
當然，在「順訪」的過程中，航天器也偷拍幾張木星的照片，測量一些有關木星的數據，傳回給地球上的主人，加上常駐木星的「伽利略號」定期發回的觀測結果。這些寶貴的信息大大加深了人類對木星的認識。別的不說，人類發現的木星衛星的數目從1位數增加到了67，其中絕大多數都是這些前期造訪者的功勞。
朱諾號的前任使者「伽利略號」，也算盡忠職守，設計者原來只給它預訂了兩年左右的繞木工作任務。但「伽利略號」從1989年到2003年，繞木8年，總共服務14年後，最後因為諸多問題「光榮退役」後「壯烈犧牲」，永遠消失在木星的大氣層中。之後，這個位置空缺了數年，直到朱諾號。伽利略號還記錄了1994年舒梅克·利維九號彗星撞木星的天文奇觀，這是人類第一次觀察到太陽系內兩個天體碰撞事件。
朱諾號雖然長相不如朱諾天后那般美麗，卻是「集百般智慧於一身」。它看起來像一架三個葉片的大風車，見圖1。與人類比較起來，朱諾號高大威武，重量不輕（3.6噸），僅僅是位於中心處的「大腦」部分，直徑有3.5m，與一個汽車拖箱的尺寸相當。三塊巨大的太陽能電池板：每一塊長9米，寬2.65米。
?圖1：朱諾號結構
這3.6噸的重量，都是些什麼呢？其中的2噸左右，是燃料和氧化劑。探測器飛行需要能量，特別是在整個軌道轉換過程中，需要進行數次速度變換，這些供給速度變化所需的燃料，都是精打細算而放置的。其餘的重量，包括9台測量所需的科學儀器：微波輻射計、木星極光紅外成像儀、先進星光羅盤、木星極光分布實驗、木星高能粒子探測儀、無線電及等離子波探測器、紫外成像光譜儀和朱諾相機。還有磁強計被安置在一根太陽能帆板的頂部（如圖1），以便儘可能地遠離飛船本體，以避免飛船自身其他設備工作時產生的磁場干擾磁強計對木星磁場信號的測量。
此外，為了防止木星的強輻射，科學家讓朱諾戴上一個沉重的「頭盔」：約0.8厘米厚的鈦合金板製成的抗輻射電子防護罩，總重約為200千克。頭盔保護著探測器的大腦（指令與數據系統）和心臟（電力系統等）。
即使對航天器的每一克重量都需要斤斤計較的情況下，科學家們仍然不失幽默地使朱諾盡量人性化，讓她帶上了三尊樂高人像（是鋁製品而不是普通塑料製成的樂高）。他們分別是：手持望遠鏡探索木星的伽利略、用放大鏡明察秋毫的朱諾、以及手握閃電的朱庇特，如圖1所示。
?圖2：朱諾號的軌道 a.繞行木星之前
?圖2：朱諾號的軌道 b.圍繞木星的軌道
不要忽略了研究朱諾號「奔向木星」的運行軌道，其中隱藏著許多奧秘【注1】。
圖2a顯示的是朱諾號被木星俘獲之前的軌道，這段路程她走了5年，最終目的只是為了在木星附近工作1年多！
2011年，朱諾號從地球奔向太空。兩年零兩個月之後，她返回到離地559公里的高度，與地球擦身而過。為什麼要再次返回地球附近？如此設計有兩個目的：第一個目的是，要借力於地球之引力「彈跳」一下！從圖2a的軌道曲線可見，朱諾號第一次離開地球後，只到達金星軌道的位置就轉彎了，距離木星的軌道還遠著呢。實際上，那是因為在發射升空的1年之後（圖2a中標誌在2012年8月附近的小白點），軌道設計人員讓她作了一次「深空變軌」，也許她那時候的速度還不夠到達木星？總之，這次軌道變換使她轉回頭飛向地球。然後，地球的引力助推，使朱諾號獲得了7.3 km/s的速度增量！因此，第二次飛離地球的朱諾號（圖2a中2013年的藍點）來勢洶洶，似乎「卯足了勁」，向著圖2a中最下面顯示的木星軌道衝去。
科學家們讓航天器返回地球的另一個目的是：可以正好利用這段時間，趁機就近測試檢查一遍其上的儀器設備。探測器到太空中遊覽了一圈，飛行了2年，就像是新研製成功的飛機作了一次現實環境下的飛行演習，設計者們需要近距離考察一下：是否有什麼異常情況發生了？如果有的話可能還來得及糾正，如此才能讓「朱諾號」為木星的探測任務做好充分的準備。
地球的引力助推是關鍵的一步。「朱諾號」攜帶了燃料，也可以依靠燃燒它們來獲得速度，但燃料有限，燒掉就沒了，2噸左右也只能為探測器帶來2km/s的速度改變，將此數據比較剛才所言的7.3 km/s速度增量，這種技術的優越性顯而易見。
另一個節約航天器能源的方法是使用太陽能電池板，「朱諾號」在這點上也創下了距離最遠使用太陽能的記錄（7.93億千米），之前到達這個距離的大多數航天器是利用核能發電。木星離太陽的距離是日地距離的5.2倍左右，因為太陽能量的輻射遵從平方反比率，同樣大小的太陽能電池板在木星處接受到的光能就只有地球處的1/25，即4%左右。這就是為什麼「朱諾號」有三塊尺寸巨大的風車葉片的原因，那上面總共放置了1.8萬個太陽能電池，它們能為繞木運行的朱諾號提供500瓦左右的電力。
2016年7月4日，「朱諾號」到達了木星軌道。但「到達」並不意味著她從此後就會自動地繞著木星轉圈。實際上，對朱諾而言，這是一個命運攸關的時刻，她必須經受一個快速降低速度的過程，以便利用這個唯一的機會被木星俘獲。該任務由航天器的主引擎燃燒35分鐘而順利完成。如果燃燒時間太短或太長，不能使「朱諾號」被木星俘獲的話，她便只能繞行太陽直到終老「碌碌無為度過餘生」，而不能繞著木星轉，也創造不成豐功偉績了！
最後，美國獨立節的禮炮聲結束之際，「朱諾號」終於傳來了表明它「一切順利，成功入軌」的特殊聲調無線電信號，使美國NASA實驗室的人員欣喜無比，歡呼雀躍！
圖2b是朱諾成功地被木星俘獲後的「繞木軌道」。開始的兩圈被設計為周期為53.5天的「俘獲軌道」，讓「朱諾」在環繞木星的長橢圓軌道上喘喘氣。這樣做可以節約燃料，因為立即變軌到科學軌道需要很大的速度改變，同時也便於調整儀器並進行遠距離觀測。如此運行兩圈（107天）之後，「朱諾」將實施最後一次變軌，進入周期14天的工作軌道。
完成兩圈的「俘獲軌道」後，科學家們計劃讓「朱諾」以周期14天的軌道環繞木星「工作」33圈（第4-36圈）。這33圈的軌道不是簡單地重複，由於進動的原因，每次的軌道比上次都會偏離一點點，使得探測器能夠從稍微不同的角度和位置來觀測木星。這使得整體的軌道圖，像春蠶吐絲蜘蛛織網那樣，密密麻麻地將木星包圍其中。
「朱諾號」繞木軌道的進動是由於木星的質量、質量分布、以及木星自身的高速旋轉等多種原因造成的。廣義相對論預言了德西特進動與冷澤-提爾苓進動。德西特進動是中央質量存在所產生的影響，也被稱為測地線進動，而冷澤-提爾苓進動【注2】則是因為中央質量的旋轉造成的，以冷澤和提爾苓兩位奧地利物理學家命名，是廣義相對論理論所預言的參照系拖曳現象。測量冷澤-提爾苓效應，以此進一步驗證廣義相對論，也是「朱諾號」的科學任務之一。
木星引起的軌道進動也對朱諾的「健康」造成負面效應。木星迫使「朱諾號」的軌道平面不斷改變、周期不斷縮短、近木點的高度不斷增加，從開始時4147公里的高度，第36圈時將增加到7950公里。近木點越高越靠近極區，輻射將越強烈。根據計算結果估計，在朱諾的32條科學軌道中，後面16條受到的總輻射劑量，將是前面16條的總劑量的4倍，以至於對更後面的軌道而言，朱諾號將超過能夠承受的最大輻射劑量而使某些儀器無法正常工作。
如圖3a所示，朱諾號的33條科學軌道像一個網兜一樣，將整個木星包圍其中，再加上朱諾號本身的繞軸自轉，方便各個儀器有機會在不同的位置和角度對木星進行測量，得到更為全面的資料。
?圖3：在木星磁場中鑽空子
木星的強大磁場在其周圍形成強大的輻射帶，如圖3b所示。為了減少輻射，科學家為「朱諾號」量身打造了一個「鈦裝甲」來保護朱諾的關鍵部位。這個盔甲能將其遭受的輻射強度減弱800倍，另外，電子設備中的處理器和電路也都預先經過了特殊的防輻射處理：一顆RAD750型抗輻射處理器可應對100萬倍足以致人死地的輻射劑量；抗輻射加固電路和感測器屏蔽裝置能進一步減弱輻射對電子設備的影響。即便如此，這些防輻射措施仍然不夠，朱諾號執行科學任務的過程中，高能電子仍有可能穿透頭盔，產生二次光子和粒子簇射，導致「朱諾號」徹底癱瘓。
所以，為了進一步減少「朱諾號」受到的整體輻射量，還必須在「朱諾」的軌道上做文章。
如圖3b所示，「朱諾號」走的是長橢圓極地軌道，每一條軌道都是又扁又長，近木點與木星表面非常靠近（只有木星半徑的1.06倍，木星半徑大約7萬公里）；遠木點則大約為木星半徑的39倍。因此，科學軌道上只有「近木點」的一小段靠近木星，軌道的其餘部分大都遠離輻射帶，這樣可以減緩輻射劑量的積累速度，讓「朱諾」存活足夠長的時間，完成20個月的科學探測。
用望遠鏡細觀木星的輻射帶（圖3c），科學家們發現在木星環形輻射帶與木星之間，存在一個無（少）輻射的縫隙區域。這是許多星體周圍環形輻射帶的特點，地球磁層也有類似的現象。對木星而言，這個縫隙有數千公里。不過，相比起幾百萬公里的軌道而言，該縫隙只能算是一個「針孔」。因此，科學家在設計朱諾號的「繞木」軌道的時候，巧妙地利用這個空隙，讓探測器從極區俯衝而下，猶如穿針眼一樣穿過它。瞄準針孔穿針引線，說起來容易實現起來還是很困難的，況且，「朱諾號」的飛行速度很快，每秒鐘就飛過70公里。但無論如何，專家們必須利用這個天賜良機，他們有精準的理論基礎，準確的計算技術作保證，克服這些困難。這樣一來，「朱諾」既能避免來自木星輻射帶的粒子暴擊，又能使自已與木星靠得足夠近，在每條軌道上都有那麼幾小時（8小時左右）的時間，進行寶貴的科學探測，將這個「星王丈夫」看得清清楚楚！
從剛才的說法看來，「朱諾」的工作效率好像不高，14天的軌道上只有幾小時做測量！其實不然，當「朱諾」位於近日點附近，離木星只有5000千米左右。一旦離開近日點，「朱諾號」將飛升到木衛四的軌道之外，距木星約1900萬千米。但是，在離木星不那麼近的地方，也還是可以得到許多有用信息的。因此，朱諾號這段時間也沒閑著，仍然有很多事要干，比如說，進行一些遠距離的測量，收集引力場及磁場的資料，和地球上的「主人」定期進行通信會話，發送情報等。還有一件最重要的事情，就是利用這段時間調整三個大葉片的方向，讓上面的太陽能電池陣列有最充足的陽光照射而充滿電。此外，還得進行一定的軌道機動，以儘可能地調整下一次的軌道到避免輻射最有利的經度位置，為下一圈的軌道任務做好準備。
「朱諾號」在飛行過程中，不停地自轉以保持飛行方向的穩定。這是基於角動量守恆理論，類似陀螺，高速繞軸自轉的物體有保持轉軸方向不變的趨勢。並且，在「朱諾」的整個旅程中，自轉的速率不斷變化。最開始的巡航路途遙遠漫長，穩定性要求小一些，自轉速度每分鐘只有1轉，在被木星俘獲之後，軌道周期變小，自轉速度變成每分鐘2轉。當實施變軌而點燃主引擎時，自轉速度提高到每分鐘5轉來保證更好的穩定性。
除了加強穩定性之外，自轉的優越性還包括設計簡單，在旋轉1圈的過程中使得所有的科學儀器都轉了360度，這樣相當於一個全方位自動掃描。
地球微生物的生命力異常頑強，任何人造的航天器都可能攜帶著某種微生物。這樣將會給航天器光臨過的天體造成「污染」。目前，科學家們正在探測木衛二、木衛三和木衛四等衛星上，是否有生命存在的跡象。如果「朱諾號」不小心撞到了這些衛星上，便會「混淆視聽」，擾亂科學家們在地球外的生命探測計劃，特別是當「朱諾號」工作一段時間之後，遭受的輻射劑量逐漸積累，科學儀器也將一個接一個地喪失工作能力，失去控制，出錯的幾率大增。為了避免意料之外的事故發生，還不如讓「朱諾號」完成任務後主動謝幕，自殺身亡。
因此，這便是朱諾在第37個繞木周期的「工作任務」：計劃在2018年2月20日飛船時間11:39，朱諾將用盡它的最後一點「力氣」，將自己撞向木星，全身投入木星的懷抱，粉身碎骨、墜落消失在木星的大氣層中。
這一期，我們提到了「朱諾號」的任務中包括對廣義相對論的檢驗，下一期，我們將介紹廣義相對論子在航天技術中的應用與驗證~大家拭目以待吧~
注釋：
【1】參考文獻：Juno Mission & Trajectory Design–Juno - Spaceflight101，http://spaceflight101.com/juno/juno-mission-trajectory-design/
【2】 參考文獻：Iorio, L. (August 2010)."Juno, the angular momentum of Jupiter and the Lense–Thirringeffect". New Astronomy. 15 (6): 554–560. arXiv:0812.1485
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注釋：
【注1】參考資料：木星- 維基百科（https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%9C%A8%E6%98%9F）
【注2】參考資料：《星際信使》，伽利略著。范龢惇（Albert VanHelden）英譯、徐光台中譯，天下文化出版，2004年
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聯盟宣言
我們生活在地球上，但心向太空
我們生活在現實中，但為未來而生
只要是天上的，就是我們關心的！
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