为何至今还未有人类到达木星?原因在这里

文章作者:bianji3 | 2018-04-11
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         木星是一个气态巨行星。木星主要由氢组成,其次为氦,占总质量的25%,占所有太阳系行星的70%岩核则含有其他较重的元素。气态行星没有实体表面,它们的气态物质密度随深度的变大而不断加大。我们所看到的通常是大气中云层的顶端,压强比1个大气压略高。

          由于自转快速而呈现扁球体(赤道附近有略微但明显可见的凸起)。外大气层明确依纬度分为多个带域,各带域相接的边际容易出现乱流和风暴。最显著的例子是大红斑,最早在17世纪时人们便以望远镜首度发现它的存在。环绕着行星的是松弱的行星环系统和强大的磁层。木星至少有69个卫星。
          2018年2月,美国航空航天局(NASA)公布了由“朱诺”号卫星拍摄到的一组木星南极的图像,醒目的蓝色漩涡以华丽的图案扭曲变幻,创造了令人惊叹的奇观。

        据报道,50年前的4月2日,一台名叫HAL的智能电脑在一艘去往木星的载人飞船上掀起了一场大破坏。这是作家亚瑟·克拉克创作的科幻小说《2001太空漫游》中的情节。同名电影更成了航天时代早期的开山之作。

  《2001太空漫游》上映时,美国正在加班加点、努力将人类送上月球。仅仅一年之后的1969年7月20日,美国便达成了这一成就。但木星仍只是望远镜中的远景。直到1973年,人类才开展首次飞往木星的航天任务,先驱者10号探测器成功飞越木星。当然,此次任务并无人类参与。

  在此之后,又有几枚探测器先后飞越木星,其中有两枚在木星轨道周围停留了较长时间。首先是NASA的伽利略任务,探测器在1995年至2003年间围绕木星旋转。如今,探索木星的任务由NASA的朱诺号探测器负责,该探测器于2016年抵达木星轨道。

  但是人类呢?人类为何至今仍未抵达木星?

  首先是航天任务资金和优先级排序的问题:目前NASA的重点在于国际空间站,同时还忙着开展人类重返月球任务和火星载人任务。除此之外,还有人类健康这一重大问题:木星的辐射环境极不利于人类生存。朱诺号在重重保护之下还能侥幸存活,但即使这样也难保长久。

  NASA目前的辐射指导方针规定,宇航员累积受到的辐射剂量只能使其一生中罹患癌症的概率增加3%。而此前由NASA好奇号探测器提供的测量数据表明,为时860天的火星任务(包括180天去程,500天火星停留时间,以及180天返程)将使宇航员总共接收1.01西弗的辐射,可能使患癌几率增加5%。

  但木星的辐射环境可能比火星更为糟糕。2016年的一项研究指出,要想最大程度地避免辐射,宇航员也许需要在木卫二的冰层中工作,这样每年接收的辐射剂量可能只有0.3西弗。(前文火星任务的年辐射剂量可能为0.43西弗。)但无论是在木卫二表面,还是在木星辐射极强的辐射带中,环境都要严苛得多。

  人类受到高剂量辐射时,会出现呕吐、眩晕、脱发等急性症状,严重者甚至可能死亡。但若为避免辐射、为宇宙飞船加装保护层,又会大大增加飞船重量,提高飞船发射难度。要打造合适的飞船防护层,也许还需运用更先进的技术。

  朱诺号首席科学家、美国西南研究所的斯科特·博尔顿(Scott Bolton)指出,科学家从上世纪60年代末或70年代开始研究木星辐射带的危险性。“1968年的时候,我们已经知道木星周围存在辐射和磁场,但没人想到那里的环境如此严苛。”

  甚至到了上世纪80年代,工程师在设计伽利略号探测器时,仍低估了木星的辐射环境强度。

  “那里的环境非常严酷,”NASA戈达德航天飞行中心高级行星大气科学家艾米·西蒙(Amy Simon)表示,“我们在开展伽利略号任务时发现,每当探测器靠近木卫二或木星,探测器都会运作不灵。它还没有对那里的环境做好准备。这也改变了我们设计宇宙飞船和电子元件的理念。”

  辐射只是宇航员面临的众多挑战之一。他们还要带上足够的水、想好怎么处理废物、应对与地球通讯时的延迟问题等等。有些技术也许能起到一定帮助,例如,将尿液处理成饮用水的技术目前正在国际空间站上接受测试。对通信延迟解决方案的测试或许也将于不久后开展。此前在NASA极端环境任务行动中,宇航员们已经在水下尝试了一些有助于解决上述问题的技术。

 

图为《2001太空漫游》中宇宙飞船“发现号”的概念图。

图为《2001太空漫游》中宇宙飞船“发现号”的概念图。

  “非常出色,极具想象力”

  博尔顿从孩提时期就是克拉克的粉丝,他还记得自己观看《2001太空漫游》的经历。在成为太空物理学家之前,博尔顿高中时曾是一名狂热的科幻小说爱好者,也是一个科幻小说读书俱乐部的成员。”克拉克是我最喜欢的作家之一。他用语精当,非常出色,极具想象力。他的作品中有很多对物理学的思考,我为此深深着迷。“博尔顿回忆道。

  克拉克在2008年以90岁的高龄逝世。博尔顿曾在太空活动和NASA活动中与他数次会面。博尔顿最念念不忘的一次见面之一,是克拉克在2001年真正到来时、为他在《2001太空漫游》小说上签字,并且签上了2001这个年份。

  博尔顿将此次会面称为“一次有趣的巧合”,因为当时没人能预见到,博尔顿日后将成为一次木星探索项目的带头人。而克拉克签名的书中描写的恰恰是一次木星任务。但博尔顿记得自己向克拉克表达了深深的崇敬之情。“我对他说,他影响了我的一生。”

  西蒙也记得自己童年观看这部电影的经历,只不过当时该电影已经上映几年了。“当时我一点都没看懂。”她说道。但由于这部电影复杂的情节十分引人入胜,她之后又看了好几次,也读了同名小说。

  不断改变的认知

  木星环境十分复杂,直至今日,太空科学家仍在努力研究它的真相。西蒙每年一次,通过哈勃望远镜“外行星大气遗产计划”(OPAL)观察这颗行星。该计划每年都会收集对太阳系外层行星的观测结果。(不过对土星的观测今年刚刚开始,因为负责土星观测的卡西尼号任务去年方告结束。)

  “就我们对木星系统的了解而言,该系统十分多变。”西蒙指出。1992至1994年间、苏梅克-列维9号彗星与木星大气相撞后的变化便是一个有力的例证。“这让我们意识到,太阳系仍在不断变化之中,绝不是一个已经尘埃落定、一成不变的系统。”

  西蒙指出,对木星的进一步观测显示,该行星的大气也发生了变化。著名的风暴“大红斑”正在缩小,颜色也在改变,也许不久之后便会彻底消失。云层会移动,木星的带状斑纹也因此不断变幻。西蒙补充道,科学家仍在努力研究木星的天气,但由于OPAL计划每年只观测木星一次,这一点便很难实现。西蒙打了个比方:因为木星的公转周期为12个地球年,这就像每月观察一次地球、然后以该数据为基础进行天气预报一样。

  博尔顿表示,朱诺号探测器观察木星的时间虽短,却也有许多惊喜的发现。比如,木星大气的深度似乎极深。科学家还对木星极光和极地气旋有了更多了解。木星的内部结构似乎也和科学家之前的猜想有所不同。

  “我们原以为木星可能有一个很小的岩质内核,或者根本没有内核。”博尔顿解释道,“但如今我们发现,它的内核非常大,并且部分内核可能并不是固体。”

  2020年之后还将开展其它木星探索任务。这些任务将以另一条线为重点:木星被冰雪覆盖的卫星们。一直到1979年旅行者1号和2号飞越木星时,研究人员才意识到木卫二的冰层下方可能存在海洋。如今,科学家认为木卫三和木卫四可能也拥有海洋。近几年,哈勃望远镜甚至在木卫二上发现了一些可能由水形成的喷流。

  欧空局的木星冰月探测器(JUICE)预计将于2022年发射,并于2029年抵达木卫三、木卫四和木卫二。与此同时,NASA也在加紧开展“木卫二快艇任务”(Europa Clipper),预计发射时间为2020至2030年间。

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