朱諾號不確切位置，飛越異常，為什麼會這樣？

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木星的南極，「朱諾」號攝於2017年2月2日，海拔約62,800英里(101000公里)。圖片版權：NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS/John Landino

在20世紀60年代早期，科學家開發了重力輔助方法（即引力彈弓效應），在那裡宇宙飛船將會在一個主要天體上進行飛行，以提高它的速度。許多著名的任務都使用了這一技術，包括先鋒、旅行者、伽利略、卡西尼和新地平線任務。在許多這樣的飛行過程中，科學家注意到一種異常現象，即航天器速度的增加與軌道模型不一致。

這已經被稱為「飛越異常」，儘管幾十年來一直在研究，並排除了之前所有的解釋。為了解決這一問題，一組來自瓦倫西亞大學多學科數學學院的研究人員在「朱諾」號探測器所做的動作基礎上研製出了一種新的軌道模型。

他們一起研究了所謂的「朱諾號」軌道的「飛行異常」的可能原因。根據「朱諾」的許多「極到極」軌道，不僅確定它經歷了一個異常，而且還提供了一個可能的解釋。

「先鋒10號」探測器於1972年發射，現在正在向恆星奧爾德巴蘭飛行。圖片版權：NASA

為了打破它，航天器的速度是由測量宇宙飛船上無線電信號的多普勒頻移到深空網路(DSN)上的天線來確定。在20世紀70年代，當先驅者10號和11號探測器發射時，在前往太陽系邊緣之前訪問木星和土星，這些探測器都經歷了一些奇怪的事情，因為它們從20到70 AU(天王星)從太陽經過。

從根本上說，這些探測器的距離比現有模型預測的距離更遠(240,000英里)。這被稱為「先鋒異常」，在空間物理學界成為普遍的傳說。儘管先鋒異常得到了解決，但在隨後的任務中，同樣的現象已經發生了很多次。

「飛越異常」是由一個噴氣推進實驗室的研究人員在90年代早期發現的由約翰·安德森領導的研究小組發現的一個問題。當他們試圖適應整個軌跡的伽利略飛船接近地球12月8日，1990年他們發現這隻可以通過考慮到遷入和傳出的漸近速度不同的軌跡對應3.92 mm / s預期理論。

這種效應出現在多普勒數據和測距數據中，所以它不是測量技術的結果。」後來在1992年伽利略探測器再次在幾次飛行中發現了它，1998年接近地球小行星的會合任務，1999年的卡西尼號和2005年的羅塞塔和信使號。最大的差異是在附近發現的(大約13毫米/秒)，這是由於距離地球表面532公里的近地點。

NASA的「朱諾」號飛船於2011年8月6日發射升空，並將於2016年7月4日抵達木星。圖片版權：NASA / JPL

另一個謎團是，在某些情況下這種異常是明顯的，而在另一些情況下，它是在可探測性的閾值上，或者根本就不存在——就像在2013年10月，朱諾(Juno)在地球上飛行的情況一樣。沒有任何令人信服的解釋導致了許多解釋，從影響或暗物質和潮汐效應到廣義相對論的延伸和新物理的存在。

然而，這些都沒有產生能夠解釋飛行異常的實質性解釋。為了解決這一問題，Acedo和他的同事們試圖建立一個模型，該模型是為「朱諾」任務而優化的，而在perijove——也就是探測器軌道上最接近木星中心的點。Acedo解釋說：

在7月4日朱諾到達木星後，我們有了一個想法，就是要發展獨立軌道模型，以與美國宇航局噴氣推進實驗室(JPL)團隊計算出的擬合軌跡相比較。」畢竟朱諾正在對木星進行非常近距離的飛行，因為高空雲層的高度(約4000公里)是地球半徑的一小部分。因此期望在這裡找到異常。這將是我們對這個效應的一個有趣的補充，因為它將證明它不僅是地球飛行的一個特殊問題，而且是普遍存在的。

美國國家航空航天局(NASA)的「朱諾號」(Juno)航天器發射主引擎減速，進入木星周圍的軌道。洛克希德·馬丁公司為NASA噴氣推進實驗室建造了「朱諾」飛船。圖片版權：NASA/Lockheed Martin

最後，他們預測在木星的「朱諾」(Juno)飛行過程中也會出現異常現象。還注意到在這個異常中有一個重要的徑向分量，其中一個在木星的中心處衰變。Acebo解釋說：

一個反常的加速度也作用於在附近的朱諾號宇宙飛船(在這種情況下，漸近速度不是一個有用的概念，因為軌跡是閉合的)。這一加速度幾乎是地球飛行比的異常加速度的100倍。在安德森等人最初的直覺中，這一現象被認為是與地球的角自轉速度(木星與地球上24小時的周期為9.8小時)、地球半徑以及可能的質量有關的。

這種異常似乎取決於航天器的徑向速度和光速之間的比率，而且隨著飛船在木星雲層上的變化，速度的下降速度非常快。這些問題不是廣義相對論所預測的，因此，有一種偶然的機會，是由於新的引力現象——或者可能是一個更傳統的效應——被忽視的結果。

最後，由於他們的計算得到的模型與「朱諾號」任務提供的遙測數據密切相關，但問題仍然存在。「進一步的研究是必要的，因為異常的模式似乎非常複雜，單一的軌道(或者類似於朱諾的類似軌道的序列)不能映射整個場，Acebo說：需要一項專門的任務，但財政削減和對實驗性引力的有限興趣可能會阻礙我們在不久的將來看到這一使命。

即使經過了60年的太空探索——以及自廣義相對論第一次提出，仍在完善模型，這也證明了物理學的複雜性。也許有一天會發現沒有什麼秘密可以解決，宇宙對我們來說是很有意義的。那將是多麼可喜的一天啊！

知識：科學無國界，博科園-科學科普

參考：Earth and Planetary Astrophysics

作者：Matt Williams

來自：Universe Today

編譯：中子星

審校：博科園