木星，太阳系中体积和质量都最大的一颗行星，太阳系所有其他的天体加起来的质量还不到它的一半。而对于我们大多数普通人来说，木星也是一个“熟悉的陌生人”。说它熟悉，是因为木星的形象特别受艺术家的青睐，是因为各种影视作品和书籍，往往都把木星作为天体的代言人，比如《2001 太空漫游》、《木星上行》，还有 2019 年年初上映的国产科幻影片《流浪地球》，都出现了木星。在流浪地球里，我们地球就差点撞上它而毁灭。
木星的影像特别漂亮，在棕白色的背景下，标志性的大红斑和各种蓝色漩涡，使得木星充满了一种科幻的美感。而说它陌生，是因为尽管人们已经派遣过先驱者号，旅行者号以及伽利略号等探测器去执行过木星任务，但我们对于木星的了解还是知之甚少，甚至连一个最基本的问题，例如，木星的大气层有多厚，我们都不得而知。2003 年 9 月 21 日，伽利略号木星探测器完成了使命，为了避免它在燃料耗尽之后，可能与存在外星生命的木卫二发生碰撞，造成污染。伽利略号以每小时 16.6 万英里的速度坠入木星的大气层，燃烧殆尽。伽利略号坠向木星的过程中，它向地球传回了最后 58 分钟的数据。由于木星的 79 颗卫星大部分的表面都是由冰构成的，按照科学家们的推测，木星的大气层中，应该也含有大量的水才对。但是伽利略号传回来的信号却显示：木星大气要比想象的干燥许多。那么木星究竟是一个干燥的星球呢？还是说，这是由于木星大气的含水量分布不均，或者伽利略号的数据不准确导致的。由于木星的大气，更类似地球形成初期的情况。如果能搞清楚木星大气中是否含有水，对搞清楚整个太阳系的形成，乃至生命体的出现都有重要的作用。
这个问题，一直到等到伽利略号的继任者，也就是本期节目的主角朱诺号抵达木星，才终于得到了答案。在伽利略号埋骨木星的七年多后，也就是 2011 年 8 月 5 日，佛罗里达州卡纳维拉尔角发射场，第五代大力神运载火箭携带着“朱诺”号探测器飞向太空。经过 5 年多的飞行，在 2016 年 7 月 5 日中午，美国宇航局召开新闻发布会，宣布朱诺号成功进入木星轨道，这是自 2003 年“伽利略”号结束木星探测任务以后，13 年来首颗绕木星工作的探测器。朱诺号一共携带了 29 台探测仪器，科学家们希望它能给木星做一个全身的检查。在这些灵敏仪器的外面，是一个厚度达 1 厘米，由金属钛组成的电子保护舱，这也是 NASA 第一次采用了辐射防护电子舱。大小相当于一辆家用 SUV 轿车的行李厢。“朱诺”号的电子设备都安装在这里。这主要就是为了适应木星恶劣的环境。木星是一个脾气不那么好的天体，浓密的大气层，随处可见的风暴，致命的高磁场，都意味着木星并不愿意向人们揭开自己神秘的面纱。探测木星，除了需要探测器自身的良好性能外，多少还是要有一些运气的。而朱诺号的旅途也注定不平静，按照原计划，“朱诺”号要环绕木星轨道飞行 37 圈后，将于 2018 年 2 月 20 日完成自己的使命，而一直到本文写作的 2019 年 11 月，“朱诺”号刚刚完成了第 22 圈的环绕探测任务。显然，朱诺号身上一定发生了一些意外。原来，2016 年 10 月，NASA 发现“朱诺”号航天器燃油系统的一组阀门出现了故障，本来计划将进行变轨从环绕木星 53 天的轨道加速进入到 14 天的环绕轨道，不得不取消了，“朱诺”号只能保持原来的轨道进行飞行。以这样的速度环绕木星，到原计划截止日，“朱诺”号连一半的观测任务都完成不了。不过，好消息是，尽管朱诺号没有办法进行变轨，但科学家们最担心的仪器被木星高强度磁场损坏的事情却没有发生。NASA 的一个独立专家小组经过评估后，目前“朱诺”号上面的探测器运行良好。在实际运行中，朱诺号所受到的辐射比最初预期的要弱得多。它搭载的相机目前仍然在正常工作。因此朱诺号将任务延期到了 2021 年 7 月，我们依然源源不断的收到朱诺号从木星发回的各种数据。而朱诺号确实也没有辜负人类对它的期望，一个又一个振奋人心的发现改变了我们对于木星的看法。要是把朱诺号最主要的三个发现概括起来，恰好可以用三个颜色来说明，分别是红、黄、蓝。这三个颜色，分别代表了木星的三个重大的发现，下面让我一个一个来说明。要是让你联想红色与木星的关系，我估计你马上就能想到大红斑。众所周知，大红斑是一个在木星大气上层，比地球直径还大的反气旋风暴。有据可靠的证据，人类观察大红斑的时间大概有 400 多年了，但是，大红斑那标志性的红色，究竟是什么物质呢？我们并不知道。人们之所以对于大红斑的颜色这么感兴趣，主要就是为了搞清楚了大红斑的气体成分组成，而搞清楚了大红斑的气体成分组成，就能帮助我们解读伽利略号最后 58 分钟的数据。朱诺号的任务当然会包括观测大红斑，根据 2018 年 8 月《天文学杂志》上的一篇论文，朱诺号在探测大红斑的时候，发现大红斑的内部的气体可以分成三层结构，其中最深的一层气体，在云层底部大约 160 千米的地方，压强可以达到 5 个标准大气压左右，在这个区域中，水的冰点就不是地球上的零摄氏度了，而是要低于零度。在利用红外光谱仪探测大红斑内部的最深层时，意外的发现了大红斑内部蕴含着大量的水冰。根据这一结论进行的推算，即使木星大气中的水含量不足木星大气成分的百分之一，木星所蕴藏的水量也远远超过了地球水含量，木星系统确实是一个非常“潮湿”的系统。而更令人震惊的是，过去我们对于木星大气层深度的知识，很可能也是错的。以往科学家们对木星结构的分析中，大多数的科学家都认为木星大气层的深度最多只有几百公里，再下面是一个固体核心。但朱诺号在探测大红斑时，朱诺号携带的微波辐射计（MWR），已经穿透了大红斑下方 350 公里，但这似乎连大红斑的表层都没有到达。而根据朱诺号传回来的数据，在木星的大气向下一直可以延伸超过 3000 公里，再下面则变成了金属氢的海洋，一直到木星的中心。
所谓的金属氢，是由于木星大气层非常厚，到了一定的深度后，大气压强会非常巨大，于是，氢元素就不能保持稳定的分子结构，其中的质子和电子可以移动，变成一种导电物质，产生了类似金属一样的特性。而它的形态，就像我们地球上的金属汞，也就是水银一样的状态。
这个发现，同样改变了我们对于木星的认知，过去我们一直认为木星有一个固态的核心，但这个发现让科学家们开始怀疑这个固态核心是否真的存在，木星的核心有可能完全是有金属氢构成的。我们对于“气态行星”的定义，甚至都可能需要重新书写了。
而大红斑的红颜色之谜，科学界也有了新的解释。根据人类的观察，大红斑的颜色并非固定不变的，而是按照之前科学家们的推测，大红斑的红色是和木星大气中的硫化物有关。但是最新的研究表明，大红斑的颜色更有可能来自木星大气中的氨和碳氢乙炔。一位名叫卡尔森的科学家，在自己的实验室用紫外线辐射这种混合物，产生了与大红斑更加匹配的光谱数据。他认为当太阳光照射木星大气上层的分子的时候，甲烷分子就会断裂重新组合成乙炔，然后乙炔再向下流进由氨气组成的云层。在那里乙炔和氨气会进行光化学反应，最终形成红色的化合物。而大红斑在木星白色的背景的衬托下，红色的颜色会显得更加明显。卡尔森的假设是否正确，可能很快朱诺号就会给我们答案了。讲完了木星的大红斑。我们再来看朱诺号的另外一项新发现，也就是“黄”。这个黄色指的不是木星本身，而是木星的卫星木卫一——艾奥。艾奥外形整体上看是黄色的，像极了洒满葱花的鸡蛋饼，这主要是由于艾奥上充满了致命的硫化物，因此艾奥是不太可能存在生命的。朱诺号在飞临木星的过程中，也顺便观测了艾奥这颗卫星，目的是解决关于木星的另外一个谜题，那就是进入木星的高能带电粒子从何而来的问题。
木星外核的液态金属氢产生的电流和木星的快速自转赋予了它强大的磁场，木星的磁场强度大约是地球的 14 倍，是太阳系内强度仅次于太阳的磁场源。在距离木星表面比较近的地方，由于磁场的作用形成了一个“辐射带”，这个“辐射带”里充满了高速运动的带电粒子。木星的磁场就像一把大伞，挡住了太阳风粒子的风吹雨打，甚至远在 6 亿公里之外的土星，都会受到木星磁场的“保护”。朱诺号在此次的任务中，环绕木星飞行时的轨道是经过木星南北两极的极轨道。在最接近木星的区域，朱诺号距离木星的大气层只有 4000 公里。这样的轨道设计让它能避开木星致命的等离子体环的大部分区域，但还是会在某一个时段受到木星强辐射的影响。因此，朱诺号有一个重要的任务，就是找到木星的这些高能带电粒子从何而来并且绘制出木星的磁场地图。负责绘制探测木星磁场强度的磁强针，被安放在一块太阳能电池板的末端。朱诺号在环绕木星探测的过程中，自身也保持着一种自旋的状态，因此可以 360° 全方位无死角的探测到木星的磁场和高能粒子。正和科学家们所预料的，在传回来的数据中，朱诺号发现，进入木星的高能带电粒子，最大的来源并不是太阳，而是来自这颗黄色的“鸡蛋饼”星球。早在新视野号飞越木星时，就曾拍下艾奥上的特瓦什塔尔（Tvashtar）火山喷发的景象，它喷发出的羽流高达 300 公里。而这次朱诺号通过红外线更加精准的观测到艾奥喷发出的带电粒子流。从红外线成像图中，能很清楚地看到火山活跃的区域。这些火山喷发而出的“火山灰”，每秒会将一吨的粒子射入到围绕木星的轨道中。当木卫一穿过木星等离子体环并与木星的磁场相互作用时，会在木星和木卫一之间形成一个磁流管，并在其中产生不稳定的电流。而产生的电流，足有 40 万伏特，100 万-500 万安培，这个功率相当于几千个大亚湾核电站的机组同时运行的功率，所以科学家们形象的把这个磁场称为行星发电机。
朱诺号在第 12 圈运行时，要穿过电流如此之高的磁流管区域，在此之前，还从未有过探测器经历过这么大电流的区域，NASA 的科学家们都非常忧心忡忡的为朱诺号祈祷。幸运的是，朱诺号厚重的金属钛铠甲，保护了里面脆弱的探测仪器。朱诺号安全地通过了磁流管区域，并且获得了非常精确的读数。进入木星的高能带电粒子，由于木星磁场的作用，会运动到木星的两极地区，形成极光，形成机制与地球上的极光一样。木星的极光是太阳系中最明亮的极光，辐射强度可以高达 100 太瓦。但与地球不同的是，这些极光主要集中在紫外线的波段，而不是像地球一样在可见光的波段。而与地球极光更加不同的是，朱诺号观察到木星的极光主要是由木星磁场中的湍流现象造成的，是交流电产生的极光，而不是直流电产生的。这说明木星表面复杂的大气运动，改变了木星的极光的形态。朱诺号还观察到，与我们设想的不同，木星南北极的极光的形状是不同的。在北极，极光更分散，看起来更像细丝和耀斑，就像我们地球上能看见的极光一样。而在南极，由于木卫一艾奥喷射出的高能粒子的影响，极光主要呈圆形或者其他的几何图形，偶尔还能看到一些亮点和类似流星一样的轨迹。通过朱诺号的探测数据，我们现在已经有了一张非常详细的木星磁场分布图。而且在它每圈运行后，磁场图都会变得更加精确。当科学家们拿到这张木星磁场分布图的时候，发现了木星另一个很有趣的现象，这也就是朱诺号任务中的“蓝色”任务了。我们地球的磁场，是从地球的磁北极向外射出的磁感线，绕地球半周后，回到地球的磁南极。尽管地球的地磁极会发生偏移，甚至调转，但基本上，地磁南北极和地理南北极还是大致重合的。但是根据朱诺号传回来的信息，木星却不是这样。木星的磁南极有两个，除了一个在木星南极方向外，另外一个竟然是在赤道的附近，被科学家们称为“大蓝点”，这是木星上磁场非常集中的区域。将朱诺号的磁场数据，同之前的木星任务，比如先驱者号，旅行者号以及伽利略号所获得的的磁场数据做比较。我们发现，木星的磁场结构随着时间的推移而逐渐变化，这在“大蓝点”附近的区域最为明显。
是什么造成木星的磁场那么的独特呢？2019 年 5 月发表在在《自然天文学》杂志（Nature Astronomy）上的一篇的文章，给出了科学家们现在的一种解释。与地球的大气运动相比，木星的大气活动就宛如一场巨大的海啸，这场永不停歇的木星大气海啸以最高达每小时 1200 公里的速度席卷整颗星球，从表面一直向下延伸到 3000 公里的大气深处。我们之前提到过，随着深度的增加，压力上升，气态的氢气会逐渐转变为液态金属氢，同时导致地表的温度上升，从而使大气内的气体发生电离活动。木星深处高速运动的电离大气风，会与原本的磁场发生相对运动，并在此过程中产生附加感应电流和磁场，从而导致原本的磁场被拉伸，并从“大蓝点”扩散至整颗行星。
尽管从磁流体动力学的角度出发，地球的内部和木星的内部差异巨大，而且与木星相比，地球上的大气基本不具有导电性，大气环流对地球磁场的影响没有那么强。但是，科学家们认为，磁场演化的机制从物理本质上来说，其实是一致的。因此，了解木星磁场，有助于揭示地球磁场的演化历史和趋势，这对于我们更加了解地球的过去与未来都有着重要的意义。目前朱诺号刚刚完成了第 22 圈的环绕木星轨道任务，尽管现在的探测仪器都正常工作，但随着朱诺号轨道越来越接近木星的大气，进入辐射带范围的时间也越来越长，它肯定无法永远的持续运行下去。预计在 2021 年-2022 年，第 35 圈运行之后，为了避免它将来与木卫二或者其他木星卫星碰撞，朱诺号选择以主动受控的方式坠入木星，永远消失在在木星的大气层中，正如它的先辈伽利略号那样。
我们也不需要太伤感，人类对于宇宙探索，是永无止境的。在每一个天文项目的背后，都有一群默默无闻的人为之奋斗。一位 NASA 的科学家，在最理想的情况下，最多一辈子能参与两个半的航天探索项目，而朱诺号每次令人惊讶的观测结果，都是对参与朱诺号任务的所有工作人员最大的奖赏了。我们期待着朱诺号能在日后传回更多关于木星的数据，为我们解开更多包裹在层层迷雾下的谜团，而我也会持续关注朱诺号的后续任务。
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