NASA屠龍勇士—「朱諾號」木星探測器
北京時間2016年7月5日11時18分——美國東部時間7月4日、亦即美國「獨立日」當天23時18分——朱諾號（Juno）木星探測器將打開其裝配的Leros 1b主推進器，持續推進35分鐘，完成木星軌道接入（JOI）機動。這是朱諾號升空1796天以來，最緊要悠關的一刻。
這是一個一次性的機遇：如果成功，朱諾號將被木星的引力捕獲，進入俘獲軌道，經過一系列的變軌，最終於今年11月進入開展預定探測任務的科學軌道；如果失敗，它將永遠失去進入木星軌道的機會，只能在繞日軌道寂寞終老。
（JOI之後，從木星北極俯衝而下的朱諾號，藝術家想像圖。Image Credit:NASA/JPL-Caltech）
這些年來我們已經見聞了太多太陽系探測任務的壯舉——1997年發射的土星探測器卡西尼號，抵達土星已經12年有餘，至今仍在發回土星家族的高清大圖；2003年發射的機遇號火星車，原定任務時長3個月，而它至今仍然火星表面巡弋；2006年發射的新視野號探測器，在去年飛掠冥王星之後，已經踏上了前往柯伊伯帶更多小天體的漫長征程。
我們似乎已經習慣於看到探測器們無畏的挑戰極限，一次又一次的超期服役，為我們帶來更多驚喜。然而在朱諾號面前，這樣的討論可能顯得有些殘酷。
JOI的到來，既標誌著朱諾號即將進入激動人心的正式科學探測階段，也標誌著它剩餘595天壽命倒數計時的開始。朱諾號，從一開始就註定是一個早逝的悲劇英雄。
因為它面前的，是偉岸雄渾的木星。
（新視野號拍攝的木星）
以羅馬神話中眾神之王朱庇特(Jupiter)命名的木星，不是一顆平庸的行星。它的質量比太陽系中所有其他行星之和更大。它甚至不屑於做行星之王：如果不是在幾十億年前太陽系形成這場氣體爭奪戰中憾負，它甚至可能成為太陽之外，這個系統中第二顆能夠點燃氫聚變的恆星。
即使錯失成為恆星的機會，木星也足以讓人恐懼：它外核的液態金屬氫電流賦予了它強大的磁場（磁矩為地球的2萬倍），彷彿在太陽風的洪流中撐起了一把巨傘。這把叫做「木星磁層」的彗狀巨傘其形之巨，足以裝下數個太陽，其長尾甚至遠及4個天文單位（6億公里）外的土星軌道——這使的木星磁層成為太陽系中，除太陽風在星際介質中淘出的氣泡「日球層」之外，最大的連續結構。如果我們能在地球上目視木星磁層，我們會發現它比日月盤面還要大5倍以上。
（木星磁層結構及視尺度示意圖，Neil Tyson et al., "One Universe", Joseph Henry Press）
不，木星磁層並不是太陽風洪流中一灣寧靜的避風港。
木衛一（Io），這顆距離木星最近的伽利略衛星，在木星巨大的潮汐力蹂躪下，宛如一顆被揉爛的橘子：它持續的火山活動每年向木星周圍注入數千萬噸二氧化硫，這些氣體隨即便被電離成為硫離子、氧離子、電子組成的等離子體，並在木星磁場的禁錮下隨木星一同轉動，形成溫度可達百萬度、拱衛木星的等離子體環，向外延展達數十個木星半徑（200餘萬公里）。
（上左：卡西尼號拍攝的木星與木衛一；上右：新視野號拍攝的正在噴發的木衛一；下左：木衛一產生等離子體環及對木星磁場影響示意圖；下右：木衛一產生的等離子體環中硫離子分布觀測結果。）
在距離木星較近處，等離子體波與等離子體環中電子的相互作用將電子加速到接近光速，產生強烈的同步輻射——這裡被叫做「輻射帶」。2002年根據卡西尼號飛掠觀測結果發表的一篇《自然》文章表示，輻射帶中的電子溫度最高可達千億度（20MeV）。不知好歹的人類探測器一旦接觸輻射帶中的高能粒子，就會造成電子器件的物理傷害，直至完全失靈。
然而6月24日，朱諾號已經突入木星磁層頂激波面，猶如獨騎挑戰惡龍的勇士，越來越迫近木星，和它周圍烈焰熊熊的城堡。
（朱諾號進入木星磁層前後，環境電子密度驟降。但隨著朱諾號接近木星，示蹤電子密度的等離子體振蕩頻率還將提升3個數量級。）
朱諾號當然有備而來。
它的心臟，是RAD750抗輻射處理器。它能承受100萬倍於足以致人死地的輻射劑量，在木星周圍的狂暴環境中，預計15年才會出現一次「藍屏」。
它的鎧甲，是1厘米厚的金屬鈦殼，總重180千克。絕大部分科學儀器都在鈦殼的保護下，使其遭受的輻射強度減弱800倍，至電子器件可承受水平以下。
它的姿態保持，沒有採用成熟的反應輪方案，而是採用略顯復古的自旋穩定方案，以節省反應輪所佔用的發射質量，為更厚實的鈦殼、更多的科學儀器和更充沛的推進劑讓出空間。
（朱諾號的鈦殼）
朱諾號的利刃，也將直刺「惡龍」身上唯一一塊「鱗片」掉落露出的軟肋。
天文學家使用美國新墨西哥州的甚大射電望遠鏡陣（VLA）對木星周圍的同步輻射進行了觀測。他們發現，半徑約7萬公里的木星雲頂之上，到環形輻射帶之間尚有數千公里的罅隙，如果能從木星兩極俯衝而下，準確的穿過這個縫隙，就可以既規避了強輻射對電子器件的傷害，又實現幾乎緊貼木星表面飛過，從而獲取最高解析度的木星探測結果。
（VLA 2、3、150px三個波段合成的偽彩色木星圖像，可見環繞木星的輻射帶，及木星與輻射帶之間的狹縫。）
這就是木星脫落的那塊「龍鱗」，朱諾號必須射中。
與朱諾號數億公里的旅途相比，這是數十萬分之一的針孔；而且朱諾號在木星的強大引力勢井中，將成為人類史上速度最快的航天器，速度超過70 km/s。不用說，要在高速下準確穿越這個針孔，需要極精準的計算、極準確的機動。
朱諾號發射重量為3625千克，其中燃料與氧化劑總重量為2032千克，佔總重一半還多。但這些燃料只能為探測器帶來總計2000m/s的速度改變，用一點少一點，需要特別精打細算。
（左：Atlas V 551火箭；右：朱諾號，可見球形的燃料倉和底部的主發動機。）
讓朱諾號飛向木星的主要動能來源當然不是這區區一點自帶的推進劑。2011年8月2日，攜帶朱諾號升空的，是AtlasV 551型火箭。作為曾經把新視野號探測器送往冥王星的同款火箭，它給朱諾號注入31.1 km?/s?的發射能量，將其送入約2年周期的繞日軌道。這條軌道的遠日點在火星軌道之外：在那裡，朱諾號實施了兩次深空機動，使探測器重新瞄準地球飛了回來。這兩次深空機動消耗了朱諾號730 m/s的速度改變預算。
（朱諾號返回地球進行引力彈射時對地球和月球拍攝的系列畫面）
2013年10月9日，朱諾號與地球相距僅559公里擦身而過，在地球的引力彈射作用下，朱諾號獲得了7.3 km/s的速度增量，這才具備了飛往木星的能力。在飛經地球前後，朱諾號抓緊開機測試了它所攜帶的科學儀器，為前進木星做好準備。
之後朱諾號小憩了791天，直到2016年1月5日，迫近木星前半年，復甦了。為了實施7月5日的木星軌道接入，朱諾號需要提前2個月開始注入燃料、加熱管線，提前7天打開用於防範流星體的引擎保護罩，並將電池充滿以備不測。
（6月28日，朱諾號在620萬公里處拍攝的木星和伽利略衛星）
然後就是逆龍鱗、穿針眼的木星軌道接入（JOI）了——這將消耗朱諾號542 m/s的速度改變預算。朱諾號計劃從木星北極高速俯衝而下，在木星表面（1 bar水準面）上空4200公里處掠過，如果飛低了，搞不好直接撞上木星，卒；如果飛高了，就需要動用已經所剩無幾的燃料進行調整，後續的科學任務恐將受到影響。
在JOI點火前半小時，朱諾號調整姿態，將主引擎對準預定的點火方向。為此朱諾號不得不把對地通訊的主力高增益天線移開對地方向。在JOI期間，朱諾號只能用低增益天線發送少量事先約定的「暗號」，告知地球它的任務進展狀態；美國戈爾德斯頓和澳大利亞堪培拉的兩架深空通訊天線同時密切注視著它。此時，木星和地球之間的因有限光速而導致的通訊延遲是48.3分鐘，也就是說無論JOI成功與否，我們能做的，只是等待。
JOI成功之後，朱諾號將進入周期53.5天的木星俘獲軌道。如此繞行兩周之後，2016年10月19日，朱諾號將實施其最後一次主要變軌，用350 m/s的速度改變預算，來實現進入周期約為14天的科學軌道。
（上：木星軌道接入、俘獲軌道、科學軌道等階段；下：科學軌道的進動）
在那裡，朱諾號將連戳木星的「無麟軟肋」36次：它計劃用前3圈實現軌道的精細調節，然後用8圈實現對木星表面每隔48°經度的8個窄條的觀測；再用8圈將觀測區域間隔縮小到24°；再用16圈將其縮小到12°。在每一圈科學軌道的約兩周時間之內，朱諾號只有最接近木星的6-8個小時才能有效的開展科學觀測；但這32圈科學軌道編織的「鳥籠」，足以把整個木星表面納入囊中。最後一圈，朱諾號將查遺補漏，聽候地球指令選擇感興趣的區域實施最後的觀測。
（科學軌道中，近木點前後實際開展科學觀測的軌道區間示意圖。綠色和藍色分別表示前16圈和後16圈。Image:NASA/JPL/Caltech）
而木星這隻巨龍又豈能善罷甘休。由於木星的高速自轉，它的形狀嚴重偏離正球體，而是呈一扁球形。這種不對稱的質量分布將持續的作用於朱諾號的軌道，迫使其軌道平面不斷進動、軌道周期不斷縮短、近木點高度不斷增加——是的，木星在一步步把朱諾號推向輻射帶的烈焰。到第36軌，朱諾號近木點高度已經從4147公里增加到7950公里，每軌所受輻射劑量也隨之增加了數倍：前16條科學軌道受到的總輻射劑量僅為後16條的1/4。
（藍線表示朱諾號承受的總輻射劑量隨繞木軌道數的增加而增加的預期）
儘管有鈦殼護體，也許不是所有的科學載荷都能捱得過輻射帶的炙烤。在最壞情況下，木星紅外極光測繪儀（JIRAM）可能在第8軌之後就報銷，微波輻射計（MWR）也可能只能活到第11軌。朱諾號攜帶的唯一一台可見光相機JunoCam的畫質也將越來越糙，直到被壞點和雜訊填滿。
甚至朱諾號強健的心臟也終將不敵木星輻射帶的偉力。如果完成預定觀測任務之後任由朱諾號在木星周圍飛行，它終有一天會心衰而亡，成為飄蕩在木星周圍一具安靜的屍體。這是NASA行星保護守則不能允許的：朱諾號攜帶有劇毒的燃料，一旦失控並偶然墜毀在木星的衛星上，將會污染它們可能孕育生命的冰下海洋。因此朱諾號唯一的結局只能是功成身死，受控燒毀在木星濃密的大氣層中。
那將是2018年2月20日，飛船時間11:39。
（電影《歐羅巴報告》劇照。木衛二歐羅巴擁有冰下海洋，甚至可能孕育生命。）
屠龍勇士的悲壯只是它自己的，巨龍本身甚至不會注意到它的存在。唯幸人類將從它的殉難中收穫良多：
朱諾號將使用微波輻射計（MWR）研究木星雲頂之下的隱藏結構。此前提及的VLA對木星觀測採用2、3、6厘米三個波段，能探測到木星雲頂之下幾十公里的結構；而MWR使用最長50 cm的波長進行觀測，將能穿透550 km的雲層，看到木星大氣深處的情狀。MWR還能測量木星大氣中水和氨氣的丰度，為木星演化理論提供依據。
朱諾號將在飛越木星表面時，持續接收地球發來的信號並立即回復，讓地球能通過記錄往來信號的開普勒頻移，推測朱諾號受到木星引力拉扯導致的速度異常，從而計算出木星內部的質量分布。由於美國深空網只有第25號天線能夠實施此項操作所需的Ka波段通訊，該項操作又必須實時測量，一旦觀測日當天受天氣影響無法觀測，就會造成無法彌補的數據損失。
（朱諾號利用開普勒頻移測量木星重力場示意圖。）
朱諾號的太陽能電池板末端安裝的磁力計形如一把巨大的尖刀，它將對木星外部和內部磁場進行高精度的測量。由於朱諾號覆蓋木星全球的軌道設計，朱諾號磁力計也將有機會測量木星三維磁場分布，從而獲取除地球以外最精細的行星磁場觀測結果。
（朱諾號的磁力計）
朱諾號在遭受輻射帶高能粒子殺傷的同時，將會準確的記錄下高能粒子的種類和能譜分布；在飛越兩極的同時，朱諾號還將仔細研究木星的極光過程。
（哈勃望遠鏡拍攝的木星極光紫外影像。Io spot等木星極光中的若干亮斑是木星磁場受到木星衛星直接影響的證據。）
為達成朱諾號的科學目標，本身並不需要可見光觀測儀器。但長途跋涉飛往木星而不拍點好看的圖回來，簡直是一種犯罪。因此朱諾號還是攜帶了一款科普用途的小相機。它能夠以RGB三色記錄全彩色影像，還將順便觀測甲烷的890納米吸收譜帶。不過，還請稍安勿躁，JOI的時候所有科學儀器都將保持靜默，JunoCam也不會記錄圖像。JOI之後JunoCam第一次記錄影像，將會是2016年8月27日。到2016年11月之後，JunoCam就將在每個近木點前後常態化拍攝並發回影像，這些影像將自動發布在美國西南研究所（SWRI）的朱諾號任務頁面上。
屆時，公眾還將可以通過線上投票，為JunoCam選定未來的拍攝目標——實際上現在你已經可以開始參與JunoCam觀測目標選擇的線上討論：JunoCam Discussion
以上大約就是你需要了解的幾乎全部關於朱諾號的背景知識了。如果說還有什麼提醒的話，恐怕就是：北京時間2016年7月5日上午10:30，朱諾號JOI直播開始，不要錯過！
出品：科普中國
製作：中國科學院國家天文台 劉博洋
監製：中國科學院計算機網路信息中心
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