[图帖] 探秘木星的旅程[21P]

　　木星，太阳系九大行星中最大的一颗，按离太阳由近及远的次序为第五颗。中国古代就认识到木星约12年运行一周天，而把周天分成十二份，称十二次，木星每年行经一次，用木星所在的星次可以纪年，因此木星被称为岁星。是天空中的第三亮星，最亮时达-2.4等，只有金星和冲日时的火星比它亮。木星有众多的卫星，截止到1990年，已发现16颗。1979年，行星际探测器“旅行者”1号还发现木星有一个很暗的光环。木星在椭圆轨道上绕太阳运行，轨道半长径为5.205天文单位，离心率为0.048，它在近日点同太阳的距离比远日点近约0.5天文单位。木星的轨道面与黄道面的交角很小，只有1.3°。  
　　
　　木星绕太阳公转的周期为4332.589天，约合11.86年，平均轨道速度为13.06公里/秒。木星是太阳系内自转最快的行星，赤道上自转周期仅9小时50分30秒，两极地区的自转稍慢。由于高速自转，使得它的扁率相当大，达0.0648。木星的自转轴几乎是垂直于公转轨道道的，二者的交角达86°55′。木星的赤道半径为71400公里，是地球的11.2倍，体积是地球的1316倍；质量为1.9×1030克，比地球的质量大300多倍，是其他八大行星总质量的2.5倍,平均密度只有1.33克/厘米3，赤道上的重力加速度为27.07米/秒2，两极为23.22米/秒2。  
　　
　　木星有着浓密的大气，主要成份是氢和氦，还含有少量的氨、甲烷和水。用望远镜观测木星，可以看到大气中有一系列与赤道平行的明暗交替的云带，云带的形状随时间不断变化。这表明木星大气中存在着激烈的运动。木星表面的温度很低，根据理论计算，它表面的有效温度应为105K，但地面观测和行星际探测器测得的结果均高于理论值，对木星的红外观测也表明，木星辐射的热能为它接收到的太阳热能的两倍，这说明木星内部存在着热源。木星还有着比地球更大更强的磁层和辐射带。  
　　
　　木星磁层比地球磁层大100倍。它可分为三个区域。内区(离木星表面20个木星半径的范围内)具有与地球辐射带相近的强辐射带；中介区(从20个木星半径到100个木星半径)的磁力线被离心力歪曲。内区和中介区都按约10小时的自转周期转动。外区(60-90个木星半径范围内)的磁场很弱，到磁层边界处已趋于零。除很靠近木星表面的部分外，木星的磁场是偶极场，但场的方向与地磁场相反，即地球上指北的罗盘到木星上变为指南。木星的磁轴与自转轴间的交角为10.8°。离木星3个木星半径以内的磁场是4极或8极的，场强为3-11×10-4特斯拉。  
　　
　　木星表面大红斑，位于赤道南侧，长达２万多公里，宽约1.1万公里，略呈蛋形。发现于1660年，300多年来尽管它的颜色和亮度不断变化，但形状和大小几乎没有变，大红斑沿逆时针方向绕中心转动，而且在经度方向上有漂移运动，因而肯定不是固体的表面特征。现在认为它很可能是一个大旋涡，或者说它是一团激烈上升的气流。旋涡或气流中含有红磷化合物，大红斑的颜色可能是因此产生的。至于大红斑能长期存在的原因，目前尚不清楚。  
　　
　　木星是太阳系中最大的行星，它的体积超过地球的一千倍，质量超过太阳系中其他八颗行星质量的总和。与其他巨行星一样，木星没有固态的表面，而是覆盖着966公里厚的云层。通过望远镜观测，这些云层就象是木星上的一条条绚丽的彩带。  

　　1989年10月18日，由“阿特兰蒂斯”号航天飞机送入轨道的“伽利略”号木星探测器，是美国航天局第一个直接专用探测木星的航天器。伽利略木星探测计划始于1978年，最初计划于1982年1月发射，后因经费不足、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，研制经费高达13.6亿美元。

　　“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，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；再入器深入水星大气层考察。

　　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，正常情况下以3.15转／分自旋稳定。其上的主要设备为；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台放射性同位素热电偶发电机，可提供0～480瓦的电力；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。轨道器上还装有很多精密的探测仪器，主要包括：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3O～50米范围的细节；近红外绘图分光计，可探测出氮、磷化氢、水、甲烷、锗等组分；紫外分光计能探测出氮、氢和氧等；光子偏振、辐射计，可以测量偏振光和光强度；磁强计、高能粒子检测仪、等离子体检测仪、等离子体波分系统（测量电场和磁场变化）、尘埃粒子检测仪和重离子计数器等，可用于对木星磁层等的研究。

1、伽利略飞向木星（想象图）


　　再入器是由美国航天局的艾迈斯研究中心负责设计，休斯飞机公司创造的。其外形呈扁锥体，总重约339千克、其中仅防热壳就重达220千克。其上有2台１波段发射机、能以128比特／秒的速率发送测量数据，经轨道器中继到地球。再入器上的探测仪器有：大气结构检测仪，能测量木星大气的温度、压力等；中性质谱仪，可测定木星大气组分；氦分量检测仪，用于测定木星大气中的氦气含量；测云计、纯流量辐射计以及光和射电检测仪等。

　　“伽利略”号探测器在美国东部时间2003年9月２１日纵身“跳”入木星大气层，以一种近乎自杀的方式使自己焚毁，为长达１４年的太空之旅画上了句号。

　　“快点走啊，‘伽利略’号！”在地面控制人员的遥控下，重达２．５吨的探测器逐渐向木星靠近，然后飞入木星黑暗的背面。当天下午快４点的时候，“伽利略”号与地球的通信联系中断，几分钟后坠入木星大气层。

　　“伽利略”号的坠落速度据估计达到约每秒４８公里。按照这一速度，从美国西海岸的洛杉矶到东部的纽约只需８２秒。它与木星大气剧烈摩擦产生的高温基本将探测器焚毁殆尽。

　　数百名科学家、工程技术人员和他们的家属，聚集在帕萨德纳的美国宇航局喷气推进实验室，遥送“伽利略”号走完最后一段路程。不少人已经在这个项目中工作数十年，探测器的陨落让他们颇为伤感。一位名叫洛佩斯的科学家说：“对一位老朋友说再见，真有点难过。”坠落过程开始后，最后一任项目主管亚历山大女士的眼睛也一度变得湿润。

2、伽利略拍到的木星近照


3、木卫一在木星表面投下的影子清晰可辨


　　“伽利略”号虽然是一台无生命的机器，但它从孕育到坠毁过程中经历的种种辉煌和挫折，让科学家们难以割舍。

　　“伽利略”号探测计划最早于上个世纪７０年代初提出，１９７７年得到宇航局批准，但直到１９８９年才由“阿特兰蒂斯”号航天飞机送入太空。之后，探测器上的主天线曾出现故障，但地面控制人员最终找到了让它发回探测数据的其他办法。

　　探测器原定约２年的使命先后被３次延长。在１９９５年１２月飞抵环木星轨道后的７年多时间内，它创造的记录有：绕木星运行３４周，与木星主要卫星３５次相遇，发回包括１．４万张照片在内的３万兆比特数据，在木星的三颗卫星上发现了地下液态盐水存在的证据，第一次从轨道上对木星系统进行了完整考察，第一次对木星大气进行了直接测量。

　　美国宇航局原打算让“伽利略”号在环木星轨道上运行下去，但探测器有关木卫二上可能存在海洋的发现使专家们改变了想法。“伽利略”号的主要使命不是去外星寻找生命，在设计时探测器没有经过消毒处理。当它燃料即将用尽时，在木星引力的作用下轨道可能发生变化，并可能与木卫二相撞。理论上，探测器与木卫二相撞可能导致地球的微生物在木卫二上立足，这种情况将会影响未来在这颗卫星上寻找本土生命的工作。

　　木星的主要卫星有四个，其中最引人瞩目的是木卫二，它的冰外壳下面是液态水，下图是伽利略释放探测器拍下四个卫星外形和它的陆地表面照片


　　美宇航局由此决定，在“伽利略”号燃料未完全用尽、还能控制运行轨道之时，让它葬身于木卫二之外的其他天体上，这个“安葬地”最终定为木星。

　　伽利略号的旅程并不幸运。它原本的计划是由太空穿梭机将它和它的推动火箭--半人马座火箭送入地球轨道。然后半人马座火箭将用2年半的时间将伽利略号送抵木星。在80年代初，伽利略号完工的时候由于航天飞机和运载火箭没有准备好。所以推迟了发射时间。当一切准备妥当之后，升空日期便定在了1986年的5月。但在1986年1月的挑战者号穿梭机惨剧发生后，美国政府停止了一切的升空活动，并对安全准则作出了检讨。伽利略号的升空时间被延后至3年之后。新的安全准则也随之增加，包括使用低功率的推进火箭，并禁止在航天飞机的运送仓内放置燃料。这意味着半人马座火箭将取消。为了进入预期的轨道，太空船会先进入金星的轨道，再借助引力来加速，再两度折回地球加速，然后前往木星。这使得原本预定2年半的旅程变成了6年。在等待升空的三年中，伽利略号被多次改造，运送和储藏。有人认为这3年的“旅程”很可能就是升空后诸多问题的原因。  伽利略号利用增加了的旅程，对月球的光面和暗面的地表化学物质作出了比较，而且还对地球南极的臭氧层作出了大气观测。但在最后一次离开地球之前，问题再度出现。伽利略号的主天线--高增益天线被发现不能准确打开。高增益天线作为伽利略号和地球联络的主要工具，它的出错造成了严重的后果。本来伽利略号能每数分钟往地球发回一张照片，故障发生后变成了数周一张。幸而，计算机技术的发展对此作出了弥补。数据能通过压缩再传送，这使得照片的传送时间减少为数小时。

　　在伽利略号略过小行星带时，伽利略号对小行星951和小行星243（Ida)作出精密观测，发现Ida的卫星，并命名为Dactyl。在1994年的彗星撞木星天文奇观中，伽利略号观测了舒梅克•利维九号彗星的碎片撞入木星的过程，地球上的望远镜则要等待木星自转来观测其阴影。

　　然而，在到达木星的两个月前，另一个问题发生了。伽利略号的磁带记录器发生了故障。磁带记录器的主要任务是，记录伽利略号上各种仪器所探测到的结果，并在适当的时候发回地球。在主天线发生故障之后，磁带记录器的作用就显得非常重要了。为了对磁带记录器作出调整，伽利略号放弃了原本探测木卫一的计划。

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5、近距离观察木卫一，在阴影中的红点是火山在喷发


６、伽利略号走进木卫一，清晰地看到它的火山口在喷出炽热的岩浆


７、木星的极地风光


　　伽利略号带有一个探测器，该探测器的任务是冲入木星的大气，并在燃烧殆尽前，尽可能多的发回数据。这是个艰难的任务，与木星大气摩擦将产生高达华氏21000度的高温。在打开降落伞减速之后，探测器将与抵挡高温的挡热板脱离。独自承受木星的风暴，高温和巨大的压力。在1995年12月7日，探测器进入了木星的大气。探测器成功地发回了信号，并在降落了57分钟之后，探测器被木星发出的热力烧毁。但这57分钟大大地增加了我们对木星的大气和气候的了解。

　　伽利略号对研究木星的卫星也作出了很大的贡献。在伽利略号到达木星之前，人们一共发现了16颗木星的卫星。伽利略号到达后又发现了多个卫星。现在，这个数字已经上升到了63个。

８、木星的大红斑其实它是木星大气中在赤道上的“台风”，这场台风已刮了百八十年了


９、大红斑随着木星自传，其形状也在不断地变化着，没有人知道这场台风还要刮多久


１０、大红斑特写


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１３、木星只有很小的一个固体内核，大部分都是由气体物质组成的，下面是它的构造示意图


　　由于受到辐射的破坏，伽利略号的摄影装置于2002年1月17日停止运作。工程师由于能够修复磁带的资料，因此它能在坠毁以前继续传送资料回地球。

　　从美国“伽利略”号探测器传回的最新的资料表明，在木卫二的表层下可能有海洋。这一新证据再次为科学家们早先根据资料作出的“木卫二上有水”的假设添加了重量级砝码，并引起了生物学家对木卫二上是否存在生命的争论。“伽利略”号探测器在距木卫二上空351公里的地方飞掠而过。令人惊讶的是，木卫二地磁北极点的地理位置在变化，并且移动得很频繁，几乎每5个半小时就移动一定距离。

　　这个结果让许多科学家困惑：究竟是什么力量驱使木卫二的地磁北极点不断运动呢？“我认为这些发现告诉我们，在木卫二的地表之下有一个液体水层。”空间科学家玛格丽特•基维尔森说。按照科学家的解释，如果在木卫二的地表之下有一个液体传导层———诸如盐水层———那将可以最为完满地解释磁性极点的不断变迁。基维尔森据此表示：“这些新发现对于木卫二上存在海洋的设想非常具有说服力。”

　　在伽利略号的任务结束后，美国太空总署的下一个探测器名为木星冰月轨道器(Jupiter Icy Moons Orbiter, JIMO)，现在处于草拟阶段。

１４、色彩斑斓的木卫一照片


１５、木卫一特写


16、神秘的木卫二，上面充满了由冰组成地表，里面是液体海洋


17、木卫四的风采，和咱们的月亮很相似


１８、探测器张开降落伞，缓缓进入稠密的木星大气，这里的云朵色彩怪异恐怖，与地球的云朵层截然不同


１９、探测器继续下降，温度和大气压剧烈升高，当气压达到20个大气压后，探测器不锈钢的外罩被压扁了


20、探测器继续下降，下面是深不可测气体海洋，没有人知道海洋深处是个什么样子，气压急剧增加，探测器就如同潜水艇一样坠毁在这个气体星球上，留下了最为悲壮的旅程