朱诺号在木星的三大发现

　　土星环
　　木星是太阳系中体积和质量都最大的行星，将太阳和木星除外，太阳系所有其他天体加起来的质量还不到它的一半。对于大多数读者来说，木星也是一个熟悉的陌生人。说它熟悉，是因为木星的形象特别受艺术家的青睐，很多影视作品和书籍都把木星作为天体的代言人。比如《2001：太空漫游》《木星上行》，还有2019年年初上映的国产科幻影片《流浪地球》，其中都出现了木星。在《流浪地球》里，地球差点因为撞上它而毁灭。木星的影像特别漂亮在棕白色的背景下，其标志性的大红斑和各种蓝色旋涡，使得木星充满了一种科幻的美感。
　　而说它陌生，是因为尽管人们已经派遣过先驱者号、旅行者号以及伽利略号等探测器去执行木星任务，但我们对于木星还是知之甚少，甚至连木星的大气层有多厚这个最基本的问题，我们都不知道答案。
　　2003年9月21日，伽利略号木星探测器完成了使命。一旦它与可能存在外星生命的木卫二发生碰撞就会造成污染，因此，在燃料耗尽之后，伽利略号就会以约26。7万千米小时的速度坠入木星的大气层，燃烧殆尽。在伽利略号坠向木星的过程中，它向地球传回了最后58分钟的数据。在木星的79颗卫星中，大部分卫星的表面都是由冰构成的。按照科学家们的推测，木星的大气层应该也含有大量的水才对。但是伽利略号传回来的信号却显示，木星大气要比想象的干燥许多。那么，究竟是木星原本就是一个干燥的星球呢，还是木星大气的含水量分布不均，又或是伽利略号的数据不准确？木星的大气更类似地球形成初期的情况，如果能搞清楚木星大气中是否含水，那么对搞清楚整个太阳系的形成，乃至生命体的出现都有重要的作用。
　　木星
　　一直等到伽利略号的继任者，也就是这一章的主角朱诺号（Juno）抵达木星，这个问题才终于得到了解答。
　　在伽利略号埋骨木星的7年多后，2011年8月5日，在佛罗里达州卡纳维拉尔角发射场，第五代大力神号运载火箭携带着朱诺号探测器飞向太空。经过5年多的飞行，在2016年7月5日中午，NASA召开新闻发布会，宣布朱诺号成功进入木星轨道，这是自2003年伽利略号结束木星探测任务以后，13年来首个绕木星工作的探测器。
　　朱诺号一共携带了9台探测仪器，科学家们希望它能给木星做一次全身检查。在这些灵敏仪器的外面，是一个厚度达1厘米、由金属钛组成的电子保护舱。这也是NASA第一次采用辐射防护电子舱，大小相当于一辆家用SUV轿车的行李箱，朱诺号的电子设备都安装在这里，主要是为了应对木星恶劣的环境。木星是一个脾气不那么好的天体，浓密的大气层、随处可见的风暴、致命的高磁场，都意味着木星并不愿意向人类揭开自己神秘的面纱。探测木星，除了需要探测器自身的良好性能外，多少还是要有一些运气的。
　　朱诺号与木星
　　而朱诺号的旅途也注定不平静。按照原计划，朱诺号要环绕木星轨道飞行37圈后，于2018年2月20日完成使命，而直到本章写作的2019年11月，朱诺号才刚刚完成了第22圈的环绕探测任务。显然，朱诺号一定发生了一些意外。
　　原来，NASA在2016年10月发现朱诺号航天器燃油系统的一组阀门出现了故障。朱诺号本来要进行变轨，从环绕木星53天的轨道加速进入14天的环绕轨道，但不得不取消这项计划，保持原来的轨道进行飞行。以这样的速度环绕木星，到原计划截止日，朱诺号连一半的观测任务都完成不了。
　　好消息是，尽管朱诺号没有办法进行变轨，但科学家们最担心的仪器被木星高强度磁场损坏的情况却没有发生。NASA一个独立专家小组经过评估后，认为目前朱诺号上面的探测器运行良好。在实际运行中，朱诺号受到的辐射比最初预期的要弱得多，它搭载的相机目前仍然在正常工作。因此，朱诺号将任务延期到了2021年7月，我们依然能源源不断地收到朱诺号从木星发回的各种数据。
　　而朱诺号也确实没有辜负人类对它的期望，一个又一个振奋人心的发现改变了我们对木星的看法。要是把朱诺号最主要的三个发现概括起来，恰好可以用三种颜色来说明，分别是红、黄、蓝。这三种颜色，分别代表了木星的三个重大发现，下面让我来逐一说明。
　　一、红色
　　要是让你联想红色与木星的关系，估计你马上就能想到大红斑。众所周知，大红斑是一个在木星大气上层，比地球直径还大的反气旋风暴。根据史料记载，人类观察大红斑的时间有400多年了（1）。但是大红斑那标志性的红色究竟是什么物质呢？我们并不知道。人们之所以对大红斑的颜色这么感兴趣，主要是为了搞清楚大红斑的气体成分组成，这有助于我们解读伽利略号最后58分钟的数据。
　　朱诺号的任务当然包括观测大红斑。根据2018年8月《天文学杂志》上的一篇论文（2），朱诺号发现大红斑内部的气体可以分成三层结构。其中最深的一层气体，在云层底部大约160千米的地方，压强可以达到5个标准大气压（3）左右。在这个区域中，水的冰点就不是地球上的0了，而是要低于0。在利用红外光谱仪探测大红斑内部的最深层时，意外发现了大红斑内部蕴含着大量的水冰。根据这一结论进行推算，即使木星大气中的水含量不足木星大气成分的1，木星所蕴藏的水量也远远超过了地球水含量，木星系统确实是非常潮湿的。
　　木星大红斑
　　而更令人震惊的是，过去我们对于木星大气层深度的知识，很可能也是错的。大多数科学家都认为木星大气层的深度最多只有几百千米，再下面是一个固体核心。但朱诺号在探测大红斑时，它携带的微波辐射计（MWR）已经深入到大红斑下方350千米处，但似乎还没有穿透大红斑的表层。而根据朱诺号传回来的数据，木星大气层向下一直可以延伸超过3000千米，再下面则变成了金属氢的海洋，一直到木星的中心。所谓的金属氢，是由于木星大气层非常厚，到达一定深度后，大气压强会非常巨大，于是，氢元素不能保持稳定的分子结构，其中的质子和电子可以移动，变成一种导电物质，产生了类似金属一样的特性。而它的形态就像我们地球上的金属汞，也就是水银一样的状态。过去我们一直认为木星有一个固态的核心，但这个发现让科学家们开始怀疑这个固态核心是否真的存在，木星的核心有可能完全是由金属氢构成的。我们对于气态行星的定义，甚至都可能需要重新书写了。
　　大红斑的红颜色之谜，科学界也有了新的解释。根据观察，大红斑的颜色并非固定不变，有时会变成深红色，有时会变成浅红色，甚至变成白色。按照之前科学家们的推测，大红斑的红色和木星大气中的硫化物有关。但是最新的研究表明，大红斑的颜色更有可能来自木星大气中的氨和乙炔。一位名叫鲍勃卡尔森（BobCarlson）的科学家，在自己的实验室用紫外线辐射这种混合物，产生了与大红斑更加匹配的光谱数据。他认为当太阳光照射木星大气上层的分子的时候，甲烷分子就会断裂重新组合成乙炔，然后乙炔再向下流进由氨气组成的云层。在那里，乙炔和氨气会进行光化学反应，最终形成红色的化合物。而在木星白色背景的衬托下，大红斑的红色会显得更加明显。（4）卡尔森的假设是否正确，可能朱诺号很快就会给出答案了。
　　二、黄色
　　黄色并不是指木星本身的颜色，而是木星的卫星木卫一伊奥的颜色。伊奥看上去是黄色的，像极了撒满葱花的鸡蛋饼，这主要是由于伊奥上充满了致命的硫化物，因此伊奥是不太可能存在生命的。朱诺号在飞临木星的过程中，也顺便观测了伊奥这颗卫星，目的是解决关于木星的另外一个谜题，那就是进入木星的高能带电粒子从何而来。
　　木星外核的液态金属氢产生的电流和木星的快速自转赋予了它强大的磁场，木星的磁场强度大约是地球的14倍，是太阳系内强度仅次于太阳的磁场源。在距离木星表面比较近的地方，由于磁场的作用形成了一个辐射带，这个辐射带里充满了高速运动的带电粒子。木星的磁场就像一把大伞，挡住了太阳风粒子的风吹雨打，甚至远在6亿千米之外的土星，都会受到木星磁场的保护。
　　朱诺号此次环绕木星飞行时的轨道，是经过木星南北两极的极轨道。在最接近木星的区域，朱诺号距离木星的大气层只有4000千米。这样的轨道设计能让它避开木星致命的等离子体环的大部分区域，但还是会在某一个时段受到木星强辐射的影响。
　　伊奥
　　因此，朱诺号有一个重要的任务，就是找到木星的这些高能带电粒子从何而来，并且绘制出木星的磁场地图。负责绘制、探测木星磁场强度的磁强针，被安放在一块太阳能电池板的末端。朱诺号在环绕木星探测的过程中，自身也保持着一种自旋的状态，因此可以360全方位、无死角地探测到木星的磁场和高能粒子。
　　与科学家们预料的一样，根据传回来的数据，进入木星的高能带电粒子的最大来源并不是太阳，而是这颗黄色的鸡蛋饼星球。早在新视野号飞越木星时，就曾拍下伊奥上的特瓦什塔尔（Tvashtar）火山喷发的景象，它喷发出的羽流高达300千米。而这次朱诺号通过红外线更加精准地观测到伊奥喷发出的带电粒子流，从红外线成像图中能很清楚地看到火山活跃的区域。这些火山喷发而出的火山灰，每秒会将1吨的粒子射入木星轨道。当伊奥穿过木星等离子体环并与木星的磁场相互作用时，会在木星和伊奥之间形成一个磁流管，并在其中产生不稳定的电流。这种电流足有40万伏特，100万500万安培，相当于几千个大亚湾核电站的机组同时运行的功率，所以科学家们形象地把这个磁场称为行星发电机。
　　朱诺号在运行第12圈时，需要穿过电流如此之高的磁流管区域。在此之前，还从未有探测器来过这么大电流的区域，NASA的科学家们忧心忡忡地为朱诺号祈祷。幸运的是，朱诺号厚重的金属钛铠甲保护了里面脆弱的探测仪器。朱诺号安全地通过了磁流管区域，并且获得了非常精确的读数。
　　由于木星磁场的作用，进入木星的高能带电粒子会运动到木星的两极地区，形成极光，其极光形成机制与地球上极光的形成一样。木星的极光是太阳系中最明亮的极光，辐射强度可以高达100太瓦（5）。但与地球不同的是，这些极光主要集中在紫外线的波段，而不是像地球一样在可见光的波段。而与地球极光更加不同的是，朱诺号观察到木星极光主要是由木星磁场中的湍流现象（6）造成的，是交流电，而不是直流电产生的。这说明，木星表面复杂的大气运动改变了木星极光的形态。朱诺号还观察到，木星南北极的极光的形状是不同的，这与我们设想的不同。在木星的北极，极光更分散，看起来像细丝和耀斑，就像我们地球上能看见的极光一样。而在木星南极，由于受到木卫一伊奥喷射出的高能粒子的影响，极光主要呈圆形或者其他几何图形，偶尔还能看到一些亮点和类似流星一样的轨迹。
　　通过朱诺号的探测，我们现在已经有了一张非常详细的木星磁场分布图。每当朱诺号多运行一圈，磁场图都会变得更精确一些。当科学家们拿到这张木星磁场分布图的时候，发现了木星另一个很有趣的现象，这也就是朱诺号任务中的蓝色任务了。
　　三、蓝色
　　在地球的磁场中，从磁北极向外射出的磁感线绕地球半周后，回到地球的磁南极。尽管地球的地磁极会发生偏移，甚至掉转，但地磁南北极和地理南北极还是大致重合的。但是，根据朱诺号传回来的信息，木星却不是这样。木星的磁南极有两个，除了一个在木星南极方向外，另外一个竟然在赤道附近，被科学家们称为大蓝点，这是木星上磁场非常集中的区域。将朱诺号的磁场数据与先驱者号、旅行者号、伽利略号所获得的磁场数据做比较，我们发现木星的磁场结构随着时间的推移而逐渐变化，这在大蓝点附近的区域最为明显。
　　为什么木星的磁场如此独特呢？2019年5月发表在《自然天文学》（NatureAstronomy）杂志上的一篇文章（7），给了科学家们一种解释。与地球的大气运动相比，木星的大气活动就宛如巨大的海啸。这场永不停歇的木星大气海啸以最高1200千米小时的速度席卷整颗星球，从表面一直向下延伸到3000千米的大气深处。我之前提过，随着深度的增加，压力上升，气态的氢气会逐渐转变为液态金属氢，同时导致地表的温度上升，使大气内的气体发生电离活动。木星深处高速运动的电离大气风，会与原本的磁场发生相对运动，并在此过程中产生附加感应电流和磁场，从而导致原本的磁场被拉伸，从大蓝点扩散至整颗行星。
　　从磁流体动力学的角度出发，地球的内部和木星的内部差异巨大。与木星相比，地球上的大气基本不具有导电性，大气环流对地球磁场的影响没有那么强。但是，科学家们认为，磁场演化的机制从物理本质上来说其实是一致的。因此，了解木星磁场有助于揭示地球磁场的演化历史和趋势，这对于我们更加了解地球的过去与未来都有着重要的意义。
　　木星猛烈的大气运动
　　随着朱诺号轨道越来越接近木星的大气，进入辐射带范围的时间越来越长，它肯定无法永远地持续运行下去。预计在20212022年，第35圈运行之后，为了避免与木卫二或者其他木星卫星碰撞，朱诺号将选择以主动受控的方式坠入木星，永远消失在木星的大气层中，正如它的先辈伽利略号那样。
　　我们无须太过伤感。人类对于宇宙的探索是永无止境的，每一个天文项目的背后，都有一群默默无闻的人为之奋斗。在最理想的情况下，一位NASA的科学家一辈子最多能参与两个半的航天探索项目，而朱诺号每次令人惊讶的观测结果，都是对参与朱诺号任务的所有工作人员最大的奖赏。我们期待着朱诺号能在日后传回更多关于木星的数据，为我们解开更多包裹在层层迷雾下的谜团。