木星磁场研究:回顾与展望

不同行星的内部结构与内部动力学过程不同,因此有的行星有内禀磁场,有的则尚未发现内禀磁场.行星的内禀磁场或大气与太阳风相互作用会形成磁层或感应磁层.不同特征的磁场、大气、卫星会使行星周围形成不一样的空间环境,进而对行星的演化过程产生不同的影响.探测行星磁场对了解行星的内部结构与内部动力学过程、空间环境和演化过程都有重要意义,因此行星磁场往往是行星探测关注的主要物理量之一.在对木星磁场的探测中,人们发现木星有着太阳系行星中最大的磁矩和磁层,木星表面磁场图像显示出明显的南北差异性和磁异常区(大蓝斑)等非偶极化特征,木星与地球大相径庭的内部结构也使木星发电机的结构和机制显得复杂和难以确认.本文对木星磁场的研究历史进行了回顾,并且以Juno时代对木星磁场的研究为主介绍了现在对木星磁场的认知,同时对未来的木星磁场研究和探测进行了展望,建议在未来的木星探测中携带进入木星大气的探针,并在探针上装载探测磁场的载荷,从而实现首次对木星磁场的进入大气的实地探测.

岁星四纪——回望木星大气探测50年

木星是太阳系中最大的行星,也是自转速度最快的行星.作为一颗气态巨行星,木星没有海陆分布、复杂地形等因素的影响,是研究大气动力学的天然试验场.木星的大气成分、大气环流、内部结构特征等都具有重要的科学意义.1973年12月4日,先驱者10号飞掠木星,实现了人类第一次木星大气近距离探测.如今木星探测已经积累了50余年的经验,发射了10次木星任务:7次飞掠任务、伽利略号与朱诺号两次环绕任务、正在飞行途中的木星冰卫星探测任务.本文简要回顾了这10次探测任务及其取得的科学成果,重点关注木星的大气成分、波动和急流、大红斑、极地涡旋等方面取得的进展,并指出一些尚未解决的科学难题.我国计划于2030年左右发射天问四号,对木星系进行探测.回顾过去的木星探测任务,对于天问四号如何合理设计科学载荷、制定科学目标等具有一定的借鉴意义.

木星不规则卫星区域内的尘埃轨道动力学演化特性

木星的不规则卫星在行星际流星体的撞击下,表面会喷发出大量的尘埃粒子。考虑多种摄动力并存的复杂木星系空间环境,采用解析法和数值仿真法相结合的方式,研究了起源于木星系不规则卫星的尘埃粒子在木星不规则卫星区域的轨道动力学演化特性。通过对描述尘埃长期运动演化的轨道平均模型中有效哈密顿守恒量及相图进行分析,可以得到源于顺行卫星的尘埃更多分布在远离太阳的一侧,而源于逆行卫星的尘埃则更多分布在朝向太阳的一侧。对尘埃演化的长期数值仿真可以发现,源于顺行卫星的尘埃轨道比逆行卫星的尘埃轨道更为稳定,并且较大的尘埃颗粒的轨道稳定性更高。

木星特洛伊小行星研究综述

木星特洛伊小行星(Jupiter-Trojan asteroids)是位于木星稳定拉格朗日点上与木星以相同周期围绕太阳稳定运行的小天体.木星特洛伊小行星作为行星形成过程的活化石记录了行星起源、类地行星有机物与挥发物来源及行星系统整体演化的独特信息.迄今仅通过地基望远镜或空间望远镜对它们进行过远距离光谱观测,它们仍是太阳系最神秘的天体群之一.在物质成分上,细粒硅酸盐被认为是构成特洛伊小行星的重要物质.过去认为特洛伊小行星形成在5 AU附近,新的动力学模型认为特洛伊小行星来自柯伊伯带.NASA的“露西”小行星探测任务(Lucy)将首次近距离探索这些神秘的小天体,有望为解开特洛伊小行星的身世之谜提供重要证据.本文梳理了木星特洛伊小行星的观测历史、物理性质、光谱性质、物质组成以及形成和演化,并介绍了“露西”的探测任务与目标,为未来我国深空探测计划中的小行星探测提供支撑.

木星系科学探测研究与展望

为了更好地规划中国首次木星系科学探测任务,对国外历次木星系探测任务的发展状况进行了调研分析,包括7次飞越探测、2次环绕探测(伽利略号和朱诺号),归纳总结了木星系探测任务的科学目标、载荷配置及其探测成果情况,分析得到了木星系科学探测任务特点和启示。最后,在上述分析和待解决问题的基础上,提出了中国木星系科学探测任务的初步设想与发展展望。

全球首个木星冰卫星探测任务分析

2023年4月14日,欧洲航天局(ESA)的“木星冰卫星探索者”(JUICE)探测器搭乘阿里安-5(Ariane-5)运载火箭发射升空。JUICE任务将对木星及木星的3颗冰卫星——木卫三(Ganymede)、木卫四(Callisto)和木卫二(Europa)进行详尽观测,揭秘冰卫星的宜居性,探测木星系统的复杂环境,推进人类对外太阳系的探索。

ESA木星冰卫星探测器(JUICE)探测任务工程问题浅析

ESA主导的木星冰卫星探测器于2023年4月14日成功发射。该探测器旨在研究木星及其卫星的复杂空间环境,并对木卫二、木卫三与木卫四3颗冰卫星进行遥感与原位测量,以期探索巨行星的演变过程及发现适合生物生存的环境与生命可能的痕迹。通过介绍木星冰卫星探测器任务目标及实施背景,概述其方案中构型布局、轨道设计、能源选择、科学载荷配置等总体设计相关工程技术特点,并对冰卫星探测雷达天线在轨展开过程中的故障与处理方式进行了分析,针对未来中国深空探测任务中的飞行器总体设计提出若干思考与建议。

基于木星大气环境的降落伞系统气动特性研究

木星探测是未来行星探测的重要发展方向,而降落伞是进入木星大气探测必不可少的气动减速装置。文章基于“伽利略号”探测任务,设计了满足未来木星探测需求的降落伞系统简化模型,并针对该降落伞系统进行了数值模拟,研究了木星大气和地球风洞实验环境中不同来流马赫数下降落伞系统的复杂流动现象及气动力变化规律。在木星大气环境中,降落伞的阻力系数和横向力系数大小以及横向力系数波动幅度均高于风洞试验环境,阻力系数波动幅度均低于风洞实验环境。此外,还研究了木星大气环境中不同来流攻角下降落伞系统的气动特性。研究表明,木星大气环境中降落伞系统气动特性与风洞实验结果有差异,因此未来在设计用于木星探测的降落伞系统时,应考虑由于木星大气环境对降落伞系统气动特性的影响。

木星系探测与JUICE任务概述

北京时间2023年4月14日,JUICE探测器的成功发射标志着木星系探测进入黄金时代,后续将重点针对冰卫星的宜居性进行全面探测。除了木星系探测共有的辐射环境恶劣、能源供给困难等技术难点,JUICE任务还有研制难度大、科学载荷多、任务周期长、轨道设计复杂等特点。本文对目前木星系探测发展形势及JUICE任务要点进行了梳理,总结了关键科学问题及技术挑战,对我国未来木星系探测具有借鉴意义。

以马努里的《木星》(1987)为例看其交互音乐的样式

菲利普·马努里(Philippe Manoury)是当代重要作曲家,他于1987年创作的作品《木星》(Jupiter)开启了交互音乐的历史。而此前被称为现场电子音乐的创作手法仅仅是实现各种效果器类型,并不存在复杂的计算机算法和识别解析等技术。通过对《木星》的分析,结合作曲家的美学思想,以期明确马努里的交互音乐样式。这种以乐谱跟踪为特征的样式,作为IRCAM的特色技术之一,沿用至今,具有广泛的影响力,引导着交互音乐的创作和审美。文章着力于解析其交互技术样式,梳理交互音乐发展过程中的创作形式和理念。

“木星风暴”游乐场

未来世界,人类的足迹踏遍了许多星球。灿烂银河间,处处可见来往的飞船。而25世纪的我,则与叔叔在木星上开设了一家“木星风暴”游乐场。游乐场建设在木星轨道上,大门被设计成了旋涡状,用星际语写着“开业大吉”——这是营业的第一个星际日。我站在悬浮于半空的盘状控制台上,看着全息屏上游客们的飞船排成长龙的情景,心里乐开了花。我点点头,转身吩咐机器人助理:“去迎接游客吧!”

木星卫星增添新成员

科学家们在木星周围发现了12颗新的卫呈,木星的卫星总数达到了创纪录的92颗。这比太阳系中的任何其他行星都多。土星以83颗卫星的数量紧随其后。这些新发现的卫星直径从一千米到三千米不等。木星和土星的小卫星被认为是曾经较大的卫星彼此碰撞的结果。

木星冰月探测器:“一杯果汁”飞上天

法国当地时间2023年4月14日09:14,欧空局最新的星际任务木星冰月探测器用阿里安5火箭从库鲁发射升空,准备开始为期8年的木星之旅.不过刚进入太空不久,木星冰月探测器就出了大毛病,主要科学仪器之一的长杆天线不能展开.经过六个星期的折腾,欧空局终于解决了问题.那么,木星冰月探测器是要干啥用呢?

译者的“温情与敬意”——艾丽丝·门罗《木星的卫星》中译本分析

艾丽丝·门罗素有“加拿大契诃夫”之称,她专注于以短篇小说的形式书写女性在爱情、婚姻和日常生活中的困境与自我成长。区别于通常意义上的女性主义写作者,门罗的作品所呈现的并非战争般的进攻姿态,而是以冷静的笔触全方面地展现社会对于“女性气质”的养成,尊重女性多元化的选择与生存状态。如此创作理念与本文试图探讨的在女性主义视角下基于中文语境的、充满“温情与敬意”的译本翻译可谓不谋而合。

LAMOST助力揭示热木星的时间演化规律

据了解,热木星是大小与木星相近,但轨道周期一般不超过10天,且非常接近其宿主恒星,表面温度很热的一类太阳系外行星。1995年,第一颗热木星——飞马座51b被发现,它的发现者也因此获得2019年度诺贝尔物理学奖。目前,已经发现的热木星达到数百颗,它们的存在挑战了之前天文学家基于太阳系建立起的标准行星形成和演化理论。主流理论认为,热木星最早形成于距离中心恒星较远的雪线以外,然后通过某种机制迁移到当前位置。雪线是水在真空中开始凝结为冰的位置,太阳系中的雪线距离太阳约2.7个日地距离。

木星和土星探测的未来发展态势

在20世纪60-70年代,美国、苏联先后向火星、金星、木星和土星发射了几十个探测器,并实现了火星和金星的机器人着陆。这些探测器中以探测火星和金星的居多,仅有几个掠过木星和土星,而且未能获得这些巨行星的全貌。1989年和1997年发射的"伽利略"(Galileo)木星探测器和"卡西尼-惠更斯"(CassiniHuygens)土星探测器分别进入了木星和土星轨道,实现了大气就位探测和土卫六表面着陆,获得了前所未有的资料,更激发了世界对这2颗巨行星及其卫星的关注。2004年,美国航空航天局(NASA)和欧洲航天局(ESA)先后发布的深空探索愿景中均规划了木星及土星探测任务。2008年,NASA和ESA组成了木星系探测联合研究组(JSDT),提出了在2020年后实施"木卫二木星系统任务"(EJSM)和"土卫六土星系统任务"(TSSM),美欧将集中资源联合开展木星系和土星系探索任务。2011年,美国选定了"土星海"(TiME)着陆器作为2016年的发现级备选任务。2012年5月,ESA确定了将在2022年发射"木星冰月探测器"(JUICE),将探测木星卫星存在生命的可能性。

木星大气探测综述

我国计划在2030年发射木星探测飞船,相关工程技术、科学目标论证的前期准备工作已经开始。为了更好地规划我国木星探测的科学目标,我们在本文系统地总结了美欧在过去几十年所进行的历次木星探测项目及其大气探测成果。到目前为止,已成功发射的有关木星的探测飞船共有9次,其中7次为飞越探测(飞船在飞越木星时顺带进行了木星的探测),另外2次为专门探测(专门为了探测木星而发射的飞船),分别为伽利略号和朱诺号飞船。这些飞船携带了大量的探测仪器,对木星大气的动力、物理和化学性质,磁层、电离层和内部结构等进行了综合探测。我们在本文中将主要集中在木星大气探测方面,对7次飞越探测做简要的介绍,对两次专门的探测进行详细介绍,并对一部分尚未解决的科学问题进行简单讨论。

木星环绕探测器电源系统设计研究

木星环绕探测任务的规划,对电源系统的设计提出了新的需求和挑战。文章结合木星及木星系环绕探测器任务各个阶段的温度、光照、辐射等空间环境特点,分析了电源方案的设计需求,并调研了以美国伽利略号(Galileo)、朱诺号(Juno)和欧洲木星冰卫星探测器(JUICE)为代表的国外木星环绕探测器的电源系统设计。根据我国的能源和航天技术发展现状,比较了同位素电源和太阳电池阵2种技术路径,提出"太阳电池-蓄电池"是木星环绕探测电源系统的可行方案。最后给出了电源系统的初步设计方案和输出仿真,并通过分析建议在低温低光照太阳电池、宽域电源控制器和太阳电池辐照防护等技术方面针对任务进行适应性改进,以满足木星环绕探测的任务需求。

木星系多目标探测轨道设计研究

针对木星系多目标探测任务,对木星及其卫星系统的探测目标及工程约束进行了梳理和分析,在此基础上提出了3种候选轨道设计方案,以实现对木星极区、木星表面精细结构以及木星伽利略卫星的探测。利用改进的协作进化算法对木星系内引力辅助转移轨道进行了设计与优化,最终得到3种轨道方案的总速度增量分别为3.47km/s、2.95km/s和2.48km/s,其中:方案一能够满足所有探测目标,方案二具有更低的辐射总剂量,方案三能够实现对木星极区及伽利略卫星的多次飞掠探测。上述3种候选轨道设计方案可为未来我国首次木星系探测任务的实施提供参考。

屏蔽材料对木星轨道卫星内部介质充电效应的影响研究

在木星轨道的空间辐射环境中,占主导地位的粒子是能量大于1 MeV(甚至高于100 MeV)的高能电子,这可能会产生卫星内部介质充电效应。在卫星的防辐射设计中,通常需要一定厚度的材料来屏蔽这些电子,使得进入卫星内部的电子通量达到安全的水平。利用所建立的GEANT4-RIC(radiation induced conductivity)方法,研究了运行于木星轨道的卫星对高能电子的最佳屏蔽材料设计。研究了铝、钛、铁、铜、钽和铅作为卫星屏蔽材料的可能性。研究结果表明,在木星探测任务中,为了减轻卫星内部介质充电效应,高原子序数材料比低原子序数材料在相同质量下提供的屏蔽效果更好。因此,用钛、铁、铜、钽或铅代替地球轨道卫星上常用的屏蔽材料铝,可以节省屏蔽质量。