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科技日历丨“伽利略号”抵达木星 成为第一个环绕木星飞行的航天器

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 Emma Chou • 2019-12-07 14:29:49 来源:前瞻网 E2355G0

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1995年12月7日,伽利略号无人飞船抵达木星,成为第一个对木星及其卫星进行长时间观测的航天器。

伽利略号无人飞船以意大利天文学家伽利略的名字命名,由一个轨道飞行器和一个进入探测器组成。它于1989年10月18日由亚特兰蒂斯号航天飞机送入地球轨道。在金星和地球的引力协助下抵达木星,成为第一个环绕木星飞行的航天器。

伽利略号发射了第一个进入木星的探测器,直接测量它的大气。尽管存在严重的天线问题,伽利略号还是实现了第一次小行星飞掠,即951 Gaspra,并在243 Ida附近发现了第一个小行星卫星Dactyl。1994年,伽利略观测到苏梅克-列维9号彗星与木星的碰撞。

围绕着太阳系中最大的行星运转了八年之后,伽利略号向地球传回了一系列的发现。它在三颗卫星——欧罗巴、木卫三和木卫四——的表面下发现了盐水的证据,并在火山喷发到大气中时,接近了著名的木卫一(木星最明亮的四颗卫星之一,400年前由伽利略最先发现)。

2003年9月21日,当伽利略号几乎耗尽燃料时,NASA故意让这艘宇宙飞船以自杀式一头扎进木星。NASA说,这种牺牲是保护木卫二所必需的,因为木卫二的地下可能有生命存在。

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图片来源:NASA

伽利略的遗产

由于成像技术的进步,从地球上研究木星比以往任何时候都要容易,这使得业余天文学家更容易观察木星的天气和周期性的彗星影响。有伽利略号的数据,帮助专业天文学家收集气体巨星在几年或几十年内如何变化的数据。

尽管如此,关于木星的许多谜团仍然存在——即使NASA在2016年带着“朱诺号”任务重返木星。一些任务正在考虑在21世纪30年代对木星的冰卫星,如NASA的Europa Clipper和欧洲航天局的木星冰卫星探测器(JUICE)。关于木星的公开问题包括木星水资源丰富程度、风暴的深度如何、木星的磁场从何而来。

目前还不清楚太阳系是否与其他太阳系具有相同的“生命史”特征。例如,一些木星大小的太阳系外行星非常接近它们的母恒星,因此被称为“热木星”。这些行星有可能迁移了,但其过程却鲜为人知。

木星的情况

在伽利略号发射之前的几十年里,木星一直是NASA关注的目标。此前已经有四艘宇宙飞船飞过这颗巨大的行星——先驱者10号和先驱者11号,旅行者1号和旅行者2号。

1973年,当先驱者10号经过木星时,发现木星的辐射远远低于科学家的预期。这使得到木星的长期任务变得更加可行,因为飞船不需要那么厚的防护(这使得发射更加昂贵)。

NASA对木星任务的想法很感兴趣,但这个想法经历了多年的预算讨论和管理变化,以及国会上的争论。

到1977年,NASA在预算中提出了一个“木星轨道探测器”的计划,但这个想法被负责该机构的国会拨款委员会否决了。在科学界进行了大规模的游说之后,这一决定被推翻,国会于当年晚些时候批准了该项目。

又过了12年,伽利略号才得以发射升空。政府的资金不断威胁着这项任务,甚至威胁着NASA正在建造的喷气推进实验室。关于伽利略计划的运载火箭也引起了争论。然后,就在探测器准备执行航天飞机任务时,“挑战者”号在1986年发生爆炸,导致7名宇航员丧生,使航天飞机停飞两年。

以天文学家伽利略命名的宇宙飞船于1989年10月18日从亚特兰蒂斯号航天飞机的有效载荷舱发射升空。为了节省燃料,金星和地球分别对探测器进行了一次和两次加速,目标是在1995年到达木星。

解决太空问题

对人类和宇宙飞船来说,长时间执行任务可能是一场马拉松。当飞船上的组件发生故障时,地面上的人就得想办法让它们起死回生。

伽利略号最严重的故障是一个高增益天线未能打开——威胁到传回地球的数据传输——和一个数据磁带录音机在最后接近木星时暂时卡住。

这个形状有点像雨伞的粘性天线在发射后的近两年里一直堆放在飞船上。NASA认为,当伽利略号在金星的引力作用下离太阳更近时,释放它可能会有风险。

1991年4月11日,地面控制人员向伽利略号发出命令,要求展开天线。发动机以比预期更高的功率运行了8分钟,这表明可能存在问题。随后,该航天器未能向地球发送天线已经打开的信号。

一项故障分析确定天线的一些支撑架卡住了。从快速旋转航天器到将天线暴露在阳光下,地面团队什么都做了,但运气不佳。

为了解决这个问题,他们想出了压缩数据的方法,这样伽利略号就可以向地球发回更多的信息,这拯救了陷于瘫痪中的任务。

NASA现在依靠伽利略号上的数据记录器和低增益传输天线将信息带回地球。直到1995年10月11日,当宇宙飞船最终接近木星时,录音机在倒带的时候卡住了15个小时。

幸运的是,NASA找到了一个变通方案,几周后就可以恢复工作了。然而,在接下来的几年里,录音机坏了,需要更大力度的修理。

Michael Meltzer在NASA出版的《木星任务:伽利略项目的历史》一书中写道:“伽利略任务令人难忘的成就之一是其工作人员在解决严重的技术问题上不断取得成功。”

在每一个实例中,该团队都解决了可能导致任务结束的问题,并找到了保持航天器运行和工作的巧妙方法。

进入木星

伽利略号的第一个科学目标是苏梅克-列维9号彗星。木星的引力将彗星拉向木星,并将其粉碎成20多块碎片。当碎片在1994年7月撞击木星时,整个天文学界都热切地关注着。当时伽利略号正在前往木星的途中,拍下了一些照片。

伽利略号在前往木星的途中遭遇了“星际沙尘暴”,可能来自木星系统内部的粒子。在某一时刻,伽利略号每天追踪到2万个尘埃粒子,而正常情况下只能每三天追踪到一个。

1995年7月,伽利略号还在木星上飞行,12月,它发射了一个探测器撞击木星的大气层。当探测器完成降落时,NASA对它所测量到的氦的含量——只有预期的一半——以及探测器所飞行区域的干燥程度感到惊讶。

NASA在1996年1月的一份新闻稿中写道:“这些初步发现鼓励科学家们重新思考他们关于木星形成和行星演化过程性质的理论。”

行星、卫星和小行星科学

伽利略号于1995年12月7日抵达木星,开始了围绕木星及其卫星运转的岁月。

在早期,伽利略仔细观察木星微弱的光环,以找出它们是如何形成的。来自宇宙飞船的数据确定,流星体撞击木星周围的小卫星,将尘埃送到木星周围。随着时间的推移,尘埃合并成年轮。

虽然伽利略号经常被称为前往木星的任务,但它也对木星最大的卫星进行了广泛的观察。

它发现了木卫二表面下有液态水存在的证据,引发了人们对木卫二表面下可能存在某种生命的疑问。通过观测木卫一的火山,伽利略号的数据显示,卫星上的火山活动可能比地球上多100倍。在伽尼米德(Ganymede),伽利略发现了第一个环绕卫星的磁场。

伽利略甚至有了一些新的发现。当拍摄小行星Ida的照片时,它发现有一个更小的物体环绕着它。这颗后来被命名为Dactyl的卫星是第一颗被确认的小行星卫星。

到2003年,由于与辐射问题和其他机械问题作斗争,伽利略号老化得越来越严重,再加上燃料不足,NASA选择将伽利略号直接送入木星,而不是将其留在轨道上,以防止飞船意外撞向木卫二,破坏那里可能存在的生命。

2003年9月21日,伽利略号在木星大气层中解体。

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