2016年科学大事件：木星探测7月开启

发射前的伽利略号。伽利略号是人类第一颗木星人造卫星，因1986年挑战者号航天飞机失事推迟两年发射，这使原本两年半即可抵达木星的航程延长至六年，并错过近距离观测1994年彗星撞击木星事件;此外，伽利略号在升空后不久主天线(高增益天线)无法完全展开，使探测能力大打折扣，虽然通过计算机技术弥补，数据能通过压缩再发回地球，最终勉强完成了基本的科学任务。

导语：迄今为止，只有一艘探测器——伽利略号对木星进行过专门的环绕探测，这项任务随着2003年伽利略号主动坠入木星大气层而结束。时隔13年，2016年7月4日，第二艘专门拜访木星的探测器——朱诺号将进入环绕木星的轨道，它将研究木星的组成、重力场、磁场、磁层和磁极。

朱诺号是NASA新疆界计划中前往木星的一艘探测器，于2011年8月5日发射升空，预定于2016年7月4日进入环绕木星轨道，它是第一艘使用太阳能为能源拜访木星的探测器，也是第二颗木星人造卫星。

与伽利略号近木星赤道面的飞行轨道不同，朱诺号将是在绕木星两极的极轨道上工作，并且它使用的是太阳能，而非伽利略所使用的核电池RTG。然而木星的强辐射对探测器将是一个大威胁，并将影响朱诺号探测任务的方方面面，这一点特别体现在它绕木星的运行轨道上。

数据显示，在木星云层顶端与环绕木星的辐射带之间有一个空隙。为了在任务期间最大限度地避免探测器暴露在强辐射中，朱诺号的飞行轨道将不停的穿越这个空隙，以确保自身安全并完成预定科学目标。这一轨道设计增加了朱诺号任务的复杂性，因为朱诺号的研制工作还要同时满足能够完成预定的科学目标。

美国宇航局朱诺号首席研究员斯科特·博尔顿(Scott Bolton)

近日，美国今日宇宙新发现新闻网(universetoday)的埃文·高夫(Evan Gough)采访了美国宇航局朱诺号项目负责人斯科特·博尔顿(Scott Bolton)，对朱诺号即将抵达木星展开的探测任务进行了深度访谈。以下为访谈内容：

埃文·高夫：“你好，斯科特先生，非常荣幸今天能够采访您。木星的强辐射非常危险，朱诺号必须抗衡它，因此朱诺号有设计钛金属罩保护内部的电子器件。但是朱诺号的运行轨道有时需要避开木星的强辐射，那么木星周围的辐射带是怎么影响朱诺号工作的呢？”

斯科特·博尔顿：“是的，这些限制了我们的选择。朱诺号的飞行轨道是按照一系列科学探测任务的要求选定的，这需要探测器以特定的轨道来执行，另外我们必须尽可能避开最危险的区域，甚至可以说是太阳系内最危险的地方。这些要求让探测器必须尽可能的靠近木星，

并且还需要绕木星两极飞行。我们知道木星周围的环境非常不友好， 有强辐射带， 很危险。但是我们之前从未有探测器去过这些地方，因此我们不清楚那里究竟有多苛刻，以及辐射带如何形成，我们目前对那里了解的很少。

但通过与地球类比(地球也有一条辐射带：范艾伦辐射带)并进行建模，我们可以想出办法来实现我们的科学目标，并避开不利的区域。朱诺号将反复经过木星两极，而且会在非常靠近木星云层顶端，在木星辐射带与云顶之间的缝隙处飞行。

我们地球的辐射带与大气层之间也有一个不大的缝隙，虽然形状和木星的相似，但远没有木星辐射带那么危险。现在我们有证据证明木星也有一个类似的缝隙，朱诺号将像穿针眼一样穿过木星的这个缝隙。”

埃文·高夫：“除了观测地球的范艾伦辐射带外，有证明这个缝隙存在的证据吗？有什么证据能够证明木星也有这个类似的缝隙，仅仅因为看起来和地球的范艾伦辐射带相似吗？”

斯科特·博尔顿：“我们使用类似VLS(甚大天线阵)这样的射电望远镜，以及世界各地其他的射电望远镜在同步辐射这一频率上观测木星。同步辐射是高能电子的运动速度接近光速并在电磁场中偏转时，沿运动的切线方向发出的一种电磁辐射。我们可以通过望远镜观测到它，这可以告诉我们木星辐射带形成的原因，以及高能电子的分布情况。之后把这些数据应用于建立的模型中，我们能够证明木星的辐射带同样也存在缝隙，部分原因是我们观测到这些辐射会在靠近木星云顶处渐渐消失。但是我们的分辨率有限，因此虽然有迹象表面木星辐射带与木星大气层之间有空隙，仍不能做到完全肯定。”

伽利略号在1995年12月7日向木星大气层释放了一个340千克的钛制大气探针，它以大约2575千米的时速，在大气层中下降了约150千米，在它被压力和高温(23倍地球大气压，153℃)摧毁前，搜集了57.6分钟的资料，该任务揭露氢在木星大气层占90%，风速超过1000千米/时。

埃文·高夫：“所以朱诺号(在那里正常工作)将是最直接的证据证明木星与辐射带之间存在空隙吗？”

斯科特·博尔顿：“是的，而且我们还有另一项探测成果帮我们弄明白它。90年代的伽利略号曾释放过一个探测器深入木星大气进行探测，在它被木星云层内高温高压摧毁前，让我们明白了木星上层大气的组成。那个探测器使用的仪器较为原始，甚至有些像盖革计数器。它在接近木星大气层前记录到了辐射峰值，随后是一个没有辐射的空白区域。这些数据给了我们进一步的证据证明木星与辐射带之间存在空隙。虽然这个探测器收集的数据有限，但它与地面望远镜观测结果建立的模型是一致的。”

埃文·高夫：“你们应该已经确定了朱诺号的一些科学任务，既然它的飞行轨道避开了辐射带，那么朱诺号是怎么去探测木星辐射带的，这对朱诺号的科学目标会有影响吗？其中有没有一些科学任务被迫放弃了？”

斯科特·博尔顿：“没有，一点也没有。事实上这就是科学目标所需要的轨道，它让我们靠的足够近。问题是在确保探测器安全外，我们究竟能够靠的有多近以及能够在轨道上环绕多少次？所以这些辐射带并没有太多改变朱诺号的飞行轨道，只是限制了我们能够在这条轨道上运行的次数。因此探测器的寿命是有限的，我们要在有限时间内尽快完成木星的相关图像绘制，我们希望它在飞越木星不同区域时尽可能靠近表面。

科学目标与辐射带的约束让朱诺号只能工作这么长时间，我们只能在有限时间内绘制完图像。也许加厚它的钛金属罩可以屏蔽掉更多辐射，让它工作时间能更久一些，但是最终朱诺号还是会失灵，我并不确定朱诺号在得到更多保护的情况下可以工作多久。”

埃文·高夫：“我猜这会造成科学收益递减？”

斯科特·博尔顿：“是的，工程技术与火箭运载能力限制了我们。如果能在探测器上携带更多的燃料，我们就能够在任务中期改变朱诺号的飞行轨道让它工作的更久，但这需要携带巨量的燃料。因为木星并不是个完美的球体，它会逐渐改变朱诺号的轨道形状。”

埃文·高夫：“所以你们需要不断修正朱诺号的飞行轨道？”

斯科特·博尔顿：“是的，但我们不能总这样。我们没有多余的燃料消耗在这方面，只有接受木星对探测器施加的影响。每绕一圈，它的飞行轨道就被改变一点。虽然只是改变一点点，但我们必须科学地消耗燃料修正轨道。在朱诺号任务的前半段，如果之前建立的模型是正确的，我们就不需要担心辐射最高时会不会对探测器健康有影响。但在任务后半段，朱诺号的情况将变的不好，我们无法像最初那样避开辐射带，正是这个限制了朱诺号的工作寿命。”

埃文·高夫：“所以木星会持续不断地改变朱诺号的飞行轨道，但你们只有有限的燃料去修正它，是吗？”

斯科特·博尔顿：“是的，你说的很正确，因为木星并不是一个完美的球体。”

埃文·高夫：“这其中有一项科学目标是绘制木星的重力场地图？”

斯科特·博尔顿：“是的，我们将精确测量出木星这个球体有多不完美(笑)。然后从中了解木星的内部构造是什么样的，以及它是怎么形成的。”

朱诺号带有一块向伽利略致敬的铭牌前往木星，这个铭牌描绘的是伽利略在1610年1月观测木星的手稿，以及伽利略的肖像。文字描述了发现伽利略卫星的过程，内容如下：“在11日它是这样的形态，最靠近木星的这颗小星只有其它几颗的一半大小，并且也非常靠近其它的，而在前一天晚上这三颗星看起来是一样的，彼此间的距离也相等。所以，很明显在木星周围有三颗运动着的星星，是在这之前未曾见到的。”

埃文·高夫：“那么顺便问下朱诺号的飞行轨道是个什么形状，它绕木星最近和最远距离会是多少？”

斯科特·博尔顿：“它是一个椭圆轨道，最接近木星时(近木点)距离木星云顶约5000公里，最远时(远木点)靠近木星的外圈大卫星木卫四(木卫四距离木星约188万公里)。”

埃文·高夫：“真是个非常遥远的距离，您继续。”

斯科特·博尔顿：“是的，的确非常远。朱诺号需要14天才能绕木星一圈，而且它将飞越木星南北两极。但我们不会立即进入这条轨道，在这之前，我们会让朱诺号发动机点火，让探测器先进入一个绕木星需53天的大椭圆轨道，这个大椭圆轨道的远木点要比14天的远的多。在进入环绕木星轨道的头几个月，我们有足够的燃料将朱诺号修正到最终14天的轨道，不过这一过程需要几个月的时间。”

埃文·高夫：“朱诺号使用的是太阳能，它的燃料除了改变轨道，还需要调姿让太阳帆板对着太阳，所以在设计朱诺号的飞行轨道时这一点也必须考虑在内了？”

斯科特·博尔顿：“是的，这是一个额外的约束，要求探测器避免进入木星的影子里。我希望它的太阳帆板始终对着太阳，虽然它可以短时间在没有太阳光的情况下工作，但总的来说我们会避免它进入木星影子里或被木星遮住阳光的地方。”

埃文·高夫：“这就是朱诺号飞行轨道的远木点非常远离木星的一个原因吗，为了避免它落入阴影里？”

斯科特·博尔顿：“是的，的确是这样。虽然在飞越大椭圆轨道另一侧近木点(距离木星最近)时，朱诺号可以做到不落入阴影里，甚至可以在环绕木星轨道很小的情况下，不落入木星背后的影子中，但是你必须计算出所有可能的不利情况并确保它不会发生。”

未发射前的朱诺号，朱诺号是首个在木星轨道这样遥远的地方使用太阳能作为能源的探测器，其太阳帆板总面积约70平方米，而木星轨道上的光照只有地球的4%，发电能力却可以达到405W，朱诺号的成功对木星探测带来的影响是深远的，因为可以选择更经济的太阳能作为能源，而不是昂贵的核能。

埃文·高夫:“那么朱诺号携带的科学仪器在它所有的运行轨道上都是工作的吗，还是说某些运行轨道上只有特定的仪器开机？

斯科特·博尔顿：总的来说，所有仪器都会在任务期间运行，但是朱诺号部分运行轨道要求我们专注在某些事情上。例如，对重力的测量。在测量重力场时，我们必须确保朱诺号的天线尽可能地指向地球，这样才能接收到朱诺号发回的相关数据。通过测量发回的无线电信号发生的多普勒频移，还可以得到木星重力场对朱诺号在轨道上的推拉情况。

当我们不测量重力场时，我们会让朱诺号的其他仪器指向木星。它们也可以在我们测量重力场时继续收集数据，但是它们如果能同时指向木星就更棒了。这种情况我们能接受的原因是朱诺号的太阳能帆板还在继续朝着太阳，地球可以继续与探测器保持通信，只是我们无法完成木星全部重力场的测量。

所以，朱诺号的某些特定运行轨道是为这个准备的。当然，我们可以在不再使用重力测量系统的时候关掉它，但是我们目前的评估认为朱诺号的电力是足够支持这些仪器同时进行工作的。不管我们是否这样做，这都不是必须的，不过在朱诺号任务后期，它的太阳帆板发电状况将不会像初期那样乐观。

朱诺号构造图，图片来自NASA

埃文·高夫：“这是辐射造成的吗？电子仪器较为敏感，会随着时间导致太阳帆板供电下降？”

斯科特·博尔顿：“是这样。我们采取了保护措施，但并不知道这能维持多久。我们没有为此安排计划，但我们可以在任务后期视情况采取措施，如果最终没有足够的电力让探测器工作，我们可以关掉那些已经完成基本科学任务的仪器，并让其他仪器轮流工作，开启一部分同时关闭一部分。”

埃文·高夫：“所以如果辐射比预期模型预测的严重，你们对会探测任务有灵活调整，是吗？你们会在任务后期灵活地调整任务优先级？”

斯科特·博尔顿：“说的对。不过目前我们建立的模型并不建议那么去做，但如有必要会进行相应调整。”

埃文·高夫：“我想详细了解你们对木星辐射带和朱诺号任务建立的模型，之前在NASA官网和其他地方得到了相关信息。据说在朱诺号绕木星33圈后，上面的科学仪器会无法继续工作，这是真的吗？朱诺号的仪器在最理想情况下可以工作多久呢？我了解到的情况是极光红外成像仪(JIRAM)能够坚持工作到绕木星的第八圈，微波辐射计能坚持工作到第11圈。这是最理想的工作情况呢，还是你们建立的模型得到的中间值？”

斯科特·博尔顿：“我们希望这是最坏的情况。朱诺号被设计为能够在两倍辐射系数的强度下工作，因此它能够承受比两倍辐射系数还要强一点的辐射环境，所以在木星轨道上正常工作应该是没有问题的。如果朱诺号的设备没有按预期工作的那么久，倒是一个让人非常吃惊的事情。我们期望这些仪器能够坚持工作到探测任务完成。但我个人并不指望，认为不需要那样，因为其中一些仪器的电子器件暴露在钛金属保护罩外。”

埃文·高夫：“这是因为这些仪器的探测任务不需要工作33圈那么久，是吗？而在钛金属罩内的仪器是因为它们的任务时间会更长久而优先考虑放进去的吗？”

SB：“是这样，所以我们做出这样的选择，部分仪器需要得到一些保护避开木星的强辐射，因此有很多小盒子围着它们，但不是那种罩状的保护。有其他一些原因使它们没有被装在罩子里，因为暴露在外面反而更有益处，电子器件扣在罩子里会有温度过高的问题，有些仪器放在罩外更利于散热，因此不同的设备有不同的情况。但是你要明白它们中有些在整个探测任务中并不需要一直工作，一直都要得到保护。当然我期望它们能工作的更长久，这样更好。我们在最初设计它们的时候，就期望能够工作的越久越好。”

朱诺号还搭载了三个乐高人偶，分别代表伽利略、朱庇特(罗马神话的木星之神)和他的妻子朱诺，朱诺手执放大镜作为追求真理的标志，朱庇特手握闪电的标记，伽利略则带着他的望远镜和木星模型。大多数乐高玩具是塑胶做的，然而为了捱过太空旅行的极端条件，这三个人偶是铝制的。

埃文·高夫：“斯科特先生，您在宇航局的职位全称是什么？”

斯科特·博尔顿：“官方称呼是首席研究员(Principal Investigator)，所以我是朱诺号任务的首席研究员，这只是一个官方头衔，意味着宇航局人很多。”

埃文·高夫：“所以您从最初朱诺号的设计研制开始就负责这次探测任务的工作了，是吗？”

斯科特·博尔顿：“是的，我负责这项探测任务的全过程。首席研究员的意思就是项目负责人，负责与朱诺号有关的一切事务，我要为它的成功负责，包括设计研制、工程技术、科学项目、以及按时建造完成，这需要花很多钱，包括调度等各种事情。换句话说，如果有什么差错，我是第一个要被问责的人(笑)。”

埃文·高夫：“谢谢，我想一切都会顺利的(笑)，我自己就热切期待朱诺号抵达木星。如果让您只选择其中一项，朱诺号探测任务最有趣、最让人激动的事是什么？我知道这很难回答。还有什么会最让你惊喜？当我们看到新视野号抵达冥王星，并在那里发现了令人震惊的景象;或者像卡西尼号发现了土卫二的冰泉，外太阳系似乎总有惊喜等待着我们。您认为朱诺号会带来什么惊喜，或您觉得会有什么样惊人发现？”

斯科特·博尔顿：“是的，惊喜或许措手不及，我真猜不到。这些事情无法预料，所以它让我们惊喜。最激动人心的部分就是朱诺号将去我们人类探测器从未拜访过的地方，并对那里进行前所未有的探测，为此我们研制了从未有过的设备，更不用说让它进入这个设计的独一无二的轨道上，去进行特别的探测任务，所以能够从这次探测任务中学习到新东西最令人激动。

我们将学到新的东西，它将改变我们人类的想法，包括我们来自哪里以及我们为什么在这里？木星究竟是什么样的？关于这些有很多难解之谜，而且这些问题很关键很重要。在今天，我们已经开始研究我们的太阳系，并开始了解其他恒星系，能够发现太阳系外的行星，对木星进行研究就显得很重要，它是弄明白这些的关键，最让人激动的是我们即将打开这些秘密的其中一扇门，这是在为我们将来的探索任务铺路，会让我们学到更多。

另一个让我激动的事情，就是虽然我被称作首席研究员，如果你问NASA这项工作是做什么的，他们会告诉你我需要负责这个项目里的所有工作，但事实上，这些工作一个人是无法完成的。这是由一个庞大的团队来进行的。一整个团队负责设计、制定规划、让探测器能够工作、攻克技术难关，并制造实现它，把原本的愿景变成现实。我很荣幸我是这个团队中的一员，我们正在努力完成这项工作，而这个团队也是我们社会或人类的一部分，正试图弄明白这些秘密，包括我们如何适应大自然以及宇宙如何运转，作为探索这个世界的团队中的一员，我很兴奋并深感荣幸。”

埃文·高夫：“您的话我完全赞同并非常钦佩，这让包括我在内的太空迷们都非常兴奋。这是一个巨大的使命，我们已经迫不及待想得到朱诺号发回的讯息和图片，这真让人期待。”

斯科特·博尔顿：“我也是(笑)。”

埃文·高夫：“非常感谢您今天花时间参加我的访谈，希望下次能再与您交流，我知道公众对朱诺号任务使命非常感兴趣。”

斯科特·博尔顿：“谢谢，您也是。祝您愉快。”