11.1：探索外行星

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Nov 1, 2022
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- 11: 巨型行星
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学习目标

在本节结束时，您将能够：

概述巨型行星的构成
记录机器人对外太阳系的探索
总结一下送往天然气巨头轨道的任务

巨型行星拥有我们行星系统中的大部分质量。仅木星的质量就超过了所有其他行星的总和（图 $\PageIndex{1}$ ）。可用于建造这些行星的材料可以按其构造分为三类：“气体”、“冰” 和 “岩石”（见表 $\PageIndex{1}$ ）。 “气体” 主要是氢气和氦气，它们是宇宙中最丰富的元素。这里的用法是，“冰” 一词仅指成分，而不是物质是否真的处于固态。 “冰” 是指由第二丰富的元素（氧、碳和氮）形成的化合物。常见的冰是水、甲烷和氨，但冰也可能包括一氧化碳、二氧化碳等。 “岩石” 的含量甚至不如冰，它包括其他所有东西：镁、硅、铁等。

alt — 人物 $\PageIndex{1}$ 木星。 2012 年，卡西尼号航天器在前往土星的途中对木星进行了成像。右下角可以看到名为 Great Red Spot 的巨型风暴系统。左下角的暗点是木星的月亮欧罗巴的阴影。

表 $\PageIndex{1}$ ：外太阳系的丰度
材料类型	姓名	近似百分比（按质量计）
煤气	氢气 (H ₂)	75
煤气	氦气（氦气）	24
冰	水 (H ₂ O)	0.6
冰	甲烷 (CH ₄)	0.4
冰	氨气 (NH ₃)	0.1
摇滚	镁 (Mg)、铁 (Fe)、硅 (Si)	0.3

在外太阳系中，气体主导着两个最大的行星，木星和土星，因此它们被称为 “天然气巨头”。天王星和海王星之所以被称为 “冰巨人”，是因为它们的内部所含的 “冰” 成分远多于它们的大表兄弟。所有四个巨型行星大气层的化学物质都以氢为主。这种氢气导致外太阳系的化学物质降低，这意味着其他元素往往会先与氢气结合。在早期的太阳系中，大部分氧气与氢气结合产生 H ₂ O，因此无法与我们在内部太阳系中更熟悉的其他元素（例如_二氧化碳）形成那种氧化化合物。因此，在巨型行星大气层中检测到的化合物主要是氢基气体，例如甲烷（CH ₄）和氨（NH ₃），或者更复杂的碳氢化合物（氢和碳的组合），例如乙烷（C ₂ H ₆）和乙炔气（C₂ H ₂)。

到目前为止对外太阳系的探索

八艘航天器，七艘来自美国，一艘来自欧洲，已经穿透到小行星带之外进入巨人的境界。下表 $\PageIndex{2}$ 总结了航天器前往外太阳系的任务。

表 $\PageIndex{2}$ ：巨型行星任务
星球	太空船 ¹	相遇日期	键入
木星	先锋 10	1973 年 12 月	Flyby
	先锋 11	1974 年 12 月	Flyby
	旅行者 1	1979 年 3 月	Flyby
	旅行者 2	1979 年 7 月	Flyby
	尤利西斯	1992 年 2 月	在重力辅助期间飞越
	伽利略	1995 年 12 月	轨道器和探测器
	卡西尼	2002 年 12 月	Flyby
	新视野	2007 年 2 月	在重力辅助期间飞越
	朱诺	2016 年 7 月	轨道飞行器
土星	先锋 11	1979 年 9 月	Flyby
	旅行者 1	1980 年 11 月	Flyby
	旅行者 2	1981 年 8 月	Flyby
	卡西尼	2004 年 7 月（2000 年土星轨道注入）	轨道飞行器
天王星	旅行者 2	1986 年 1 月	Flyby
海王星	旅行者 2	1989 年 8 月	Flyby

在远离地球的地方进行探索的挑战是巨大的。飞往巨型行星的飞行时间是用数年到几十年来衡量的，而不是到达金星或火星所需的月份。即使以光速，信息也需要数小时才能在地球和航天器之间传递。例如，如果土星附近出现问题，等待数小时警报到达地球，等待指令传回航天器可能带来灾难。因此，通往外太阳系的航天器必须高度可靠，能够具有更大程度的独立性和自主性。外太阳系任务还必须携带自己的能源，因为太阳距离太远，无法提供足够的能量。需要加热器才能使仪器保持在适当的工作温度，航天器必须具有足够强大的无线电发射机，以便将其数据发送到遥远的地球上的接收器。

第一个调查火星上空区域的航天器是美国宇航局先锋10号和11号，分别于1972年和1973年作为木星的探路者发射。他们的主要目标之一就是确定航天器能否真正穿越位于火星以外的小行星带，而不会被与小行星尘埃的碰撞摧毁。另一个目标是测量木星磁层（或磁影响区）中的辐射危害。两艘航天器都没有入射穿过小行星带，但是木星磁场中的高能粒子几乎摧毁了它们的电子设备，为后续任务的安全设计提供了必要的信息。

先锋10号于1973年飞越木星，之后它向外飞向太阳系的极限。先锋11号实施了一个更雄心勃勃的计划，利用木星的重力瞄准了它在1979年到达的土星。 1977年，双旅行者号航天器发起了下一波外行星探索浪潮。 Voyagers 1 和 2 各携带 11 台科学仪器，包括照相机和光谱仪，以及测量行星磁层特性的设备。由于它们在与行星相遇后一直向外飞行，因此它们现在是人类有史以来发射的最遥远的航天器。

Voyager 1 于 1979 年到达木星，并于 1980 年使用该行星的重力辅助将其带到了土星。旅行者二号在四个月后抵达木星，但随后走另一条路访问了所有外行星，1981年到达土星，1986年到达天王星，1989年到达海王星。这条轨迹之所以成为可能，是因为四颗巨型行星在太阳的同一侧大致对齐。大约每175年，这些行星就会处于这样的位置，它允许一艘航天器通过使用重力辅助飞越来访问所有行星，为随后的每次遭遇调整航向；这种动作被天文学家昵称为 “Grand Tour”。

喷气推进实验室有一段名为 Voyager：The Grand Tour 的精彩视频，描述了 Voyager 任务及其发现。

工程和太空科学：向旧航天器传授新技巧

1989年，即发射12年后，Voyager 2号抵达海王星时，该航天器已开始显示出老化的迹象。摄像机和其他仪器所在的手臂是 “关节炎”：它再也无法轻易地向所有方向移动。通信系统 “听不清”：其无线电接收器的一部分已停止工作。 “大脑” 有严重的 “内存丢失”：一些板载计算机内存出现故障。整个航天器开始耗尽能量：它的发电机已经开始出现严重的磨损迹象。

为了让事情变得更具挑战性，Voyager 在海王星的任务在许多方面是所有四次飞越中最困难的一次。例如，由于海王星的阳光比地球弱900倍，因此在这种光线匮乏的环境中，机载摄像机必须花费更长的曝光时间。鉴于航天器正以步枪子弹的十倍的速度被海王星击中，这是一个不平凡的要求。

解决方案是以完全补偿航天器向前运动的速度向后旋转摄像机。工程师必须对飞船的计算机进行预编程，才能对每张图像执行一系列极其复杂的操作。漂亮的 Voyager 海王星图像证明了航天器工程师的独创性。

这艘飞船与地球上的控制器之间的距离之远是又一个挑战。 Voyager 2 收到了指令，并通过机载无线电发射机发回了数据。从地球到海王星的距离约为48亿千米。在这么远的距离内，从海王星的 Voyager 2 传送给我们的功率约为 10-16 瓦，比操作数字手表所需的功率低 200 亿倍。美国宇航局使用四大洲的38根不同的天线来收集来自航天器的微弱信号，并解码其中包含的有关海王星的宝贵信息。

进入轨道飞行器：伽利略和卡西尼号，以及朱诺

Pioneer 和 Voyager 任务是巨型行星的飞越：它们都只能在航天器加速前快速观察。为了更详细地研究这些世界，我们需要能够绕行星进入轨道的航天器。对于木星和土星来说，这些轨道飞行器分别是伽利略和卡西尼号航天器。尽管行星科学家表示了浓厚的兴趣，但迄今为止，尚未启动天王星和海王星的轨道飞行器任务。

伽利略航天器于1989年向木星发射，并于1995年抵达。伽利略首先部署了进入木星的入侵探测器，这是对地球外层大气层的首次直接研究。

探测器以较浅的角度坠入木星的大气层，以每秒 50 千米的速度行驶，速度足够快，可以在 100 秒内从纽约飞向旧金山！这是迄今为止所有探测器进入行星大气层的最高速度，它对保护行星大气层的隔热罩提出了很高的要求。高进入速度是木星强大的引力吸引力加速的结果。

大气摩擦在 2 分钟内减慢了探测器的速度，使隔热罩前部的温度高达 15,000 °C。随着探测器的速度降至每小时 2500 千米，发光隔热罩的残留物被抛弃，并部署了降落伞来降低仪表探测器航天器更温和地进入大气层（图 $\PageIndex{3}$ ）。来自探测仪器的数据通过伽利略主航天器传送到地球。

alt — 图： $\PageIndex{1}$ 伽利略探测器落入木星。这位艺术家的描绘显示，伽利略探测器在防护隔热罩分离后不久通过降落伞降落到云层。该探测器于1995年12月7日对木星的大气层进行了测量。

探测器持续运行了一个小时，向大气层下降了200公里。几分钟后，聚酯降落伞融化了，几小时之内，探测器的主要铝和钛结构蒸发成为木星本身的一部分。在收到最终探测数据大约2小时后，主航天器发射了复古火箭，以便将其捕获到环绕地球的轨道上，其主要目标是研究木星的大型且常常令人费解的卫星。

美国宇航局和欧洲航天局合作进行的卡西尼号土星飞行任务（图 $\PageIndex{2}$ ）在双重方法上与伽利略相似。卡西尼号于 1997 年发射，于 2004 年抵达并进入环绕土星的轨道，开始对其环和卫星以及行星本身进行广泛研究。 2005 年 1 月，卡西尼号向土星的大卫星泰坦的大气层部署了一个入侵探测器，并成功降落在地表上。（我们将在关于戒指、月亮和冥王星的章节中讨论探测器及其发现。）

前往木星的 Voyager 和 Galileo 任务主要旨在研究地球的卫星和大气层。美国宇航局的下一个任务，一架名为朱诺的轨道飞行器，于2016年7月抵达木星。为了实现其研究木星磁层的目标，它有一个非常长（偏心）的55天轨道，将其从云顶上方4000公里延伸到7.6万公里。轨道将飞船带过木星的两极，为我们提供了极地的非凡特写镜头（以前的航天器从低纬度观察了地球）。

朱诺最初是在没有相机的情况下设计的，但幸运的是，科学家们纠正了这一遗漏，增加了一个简单的向下看的彩色相机，供木星近距离穿越时使用。认识到此类图像的科学和艺术价值，因此决定发布原始图像并鼓励 “公民科学家” 对其进行处理。该产品有许多引人注目、色彩鲜艳的木星视图，例如 Figure $\PageIndex{2}$ 。

alt — 描 $\PageIndex{2}$ 绘从土星看的地球。这张受欢迎的卡西尼号图像将地球显示为土星环下方的一个小点（标有箭头）。它是在2013年7月拍摄的，当时土星距离地球14亿公里。

关键概念和摘要

外太阳系包含四颗巨型行星：木星、土星、天王星和海王星。天然气巨头木星和土星的总体组成与太阳相似。先锋号、旅行者号、伽利略号和卡西尼号航天器已经探索了这些行星。 Voyager 2可能是所有太空科学任务中最成功的一次，它探索了木星（1979年）、土星（1981年）、天王星（1986年）和海王星（1989年）——巨型行星的盛大巡回演出——而这些飞越是迄今为止冰巨人天王星和海王星的唯一探索。伽利略和卡西尼号任务是长寿的轨道飞行器，它们还部署了一个入口探测器，一个进入木星，另一个进入土星的卫星泰坦。

脚注

¹ 尤利西斯号和新视野号航天器（分别为研究太阳和冥王星而设计）都飞过木星以获得重力提升（通过从巨型行星的旋转中 “偷走” 一点点来获得能量）。