朱诺号不确切位置，飞越异常，为什么会这样？

【博科园-科学科普】

木星的南极，“朱诺”号摄于2017年2月2日，海拔约62,800英里(101000公里)。图片版权：NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS/John Landino

在20世纪60年代早期，科学家开发了重力辅助方法（即引力弹弓效应），在那里宇宙飞船将会在一个主要天体上进行飞行，以提高它的速度。许多著名的任务都使用了这一技术，包括先锋、旅行者、伽利略、卡西尼和新地平线任务。在许多这样的飞行过程中，科学家注意到一种异常现象，即航天器速度的增加与轨道模型不一致。

这已经被称为“飞越异常”，尽管几十年来一直在研究，并排除了之前所有的解释。为了解决这一问题，一组来自瓦伦西亚大学多学科数学学院的研究人员在“朱诺”号探测器所做的动作基础上研制出了一种新的轨道模型。

他们一起研究了所谓的“朱诺号”轨道的“飞行异常”的可能原因。根据“朱诺”的许多“极到极”轨道，不仅确定它经历了一个异常，而且还提供了一个可能的解释。

“先锋10号”探测器于1972年发射，现在正在向恒星奥尔德巴兰飞行。图片版权：NASA

为了打破它，航天器的速度是由测量宇宙飞船上无线电信号的多普勒频移到深空网络(DSN)上的天线来确定。在20世纪70年代，当先驱者10号和11号探测器发射时，在前往太阳系边缘之前访问木星和土星，这些探测器都经历了一些奇怪的事情，因为它们从20到70 AU(天王星)从太阳经过。

从根本上说，这些探测器的距离比现有模型预测的距离更远(240,000英里)。这被称为“先锋异常”，在空间物理学界成为普遍的传说。尽管先锋异常得到了解决，但在随后的任务中，同样的现象已经发生了很多次。

“飞越异常”是由一个喷气推进实验室的研究人员在90年代早期发现的由约翰·安德森领导的研究小组发现的一个问题。当他们试图适应整个轨迹的伽利略飞船接近地球12月8日，1990年他们发现这只可以通过考虑到迁入和传出的渐近速度不同的轨迹对应3.92 mm / s预期理论。

这种效应出现在多普勒数据和测距数据中，所以它不是测量技术的结果。”后来在1992年伽利略探测器再次在几次飞行中发现了它，1998年接近地球小行星的会合任务，1999年的卡西尼号和2005年的罗塞塔和信使号。最大的差异是在附近发现的(大约13毫米/秒)，这是由于距离地球表面532公里的近地点。

NASA的“朱诺”号飞船于2011年8月6日发射升空，并将于2016年7月4日抵达木星。图片版权：NASA / JPL

另一个谜团是，在某些情况下这种异常是明显的，而在另一些情况下，它是在可探测性的阈值上，或者根本就不存在——就像在2013年10月，朱诺(Juno)在地球上飞行的情况一样。没有任何令人信服的解释导致了许多解释，从影响或暗物质和潮汐效应到广义相对论的延伸和新物理的存在。

然而，这些都没有产生能够解释飞行异常的实质性解释。为了解决这一问题，Acedo和他的同事们试图建立一个模型，该模型是为“朱诺”任务而优化的，而在perijove——也就是探测器轨道上最接近木星中心的点。Acedo解释说：

在7月4日朱诺到达木星后，我们有了一个想法，就是要发展独立轨道模型，以与美国宇航局喷气推进实验室(JPL)团队计算出的拟合轨迹相比较。”毕竟朱诺正在对木星进行非常近距离的飞行，因为高空云层的高度(约4000公里)是地球半径的一小部分。因此期望在这里找到异常。这将是我们对这个效应的一个有趣的补充，因为它将证明它不仅是地球飞行的一个特殊问题，而且是普遍存在的。

美国国家航空航天局(NASA)的“朱诺号”(Juno)航天器发射主引擎减速，进入木星周围的轨道。洛克希德·马丁公司为NASA喷气推进实验室建造了“朱诺”飞船。图片版权：NASA/Lockheed Martin

最后，他们预测在木星的“朱诺”(Juno)飞行过程中也会出现异常现象。还注意到在这个异常中有一个重要的径向分量，其中一个在木星的中心处衰变。Acebo解释说：

一个反常的加速度也作用于在附近的朱诺号宇宙飞船(在这种情况下，渐近速度不是一个有用的概念，因为轨迹是闭合的)。这一加速度几乎是地球飞行比的异常加速度的100倍。在安德森等人最初的直觉中，这一现象被认为是与地球的角自转速度(木星与地球上24小时的周期为9.8小时)、地球半径以及可能的质量有关的。

这种异常似乎取决于航天器的径向速度和光速之间的比率，而且随着飞船在木星云层上的变化，速度的下降速度非常快。这些问题不是广义相对论所预测的，因此，有一种偶然的机会，是由于新的引力现象——或者可能是一个更传统的效应——被忽视的结果。

最后，由于他们的计算得到的模型与“朱诺号”任务提供的遥测数据密切相关，但问题仍然存在。“进一步的研究是必要的，因为异常的模式似乎非常复杂，单一的轨道(或者类似于朱诺的类似轨道的序列)不能映射整个场，Acebo说：需要一项专门的任务，但财政削减和对实验性引力的有限兴趣可能会阻碍我们在不久的将来看到这一使命。

即使经过了60年的太空探索——以及自广义相对论第一次提出，仍在完善模型，这也证明了物理学的复杂性。也许有一天会发现没有什么秘密可以解决，宇宙对我们来说是很有意义的。那将是多么可喜的一天啊！

知识：科学无国界，博科园-科学科普

参考：Earth and Planetary Astrophysics