NASA將重返外太陽系 探索最邊緣兩顆行星
騰訊太空2016年03月11日08:30
http://space.qq.com/a/20160311/014061.htm?pgv_ref=aio2015&ptlang=2052
[摘要]截至目前，人類已完成距離太陽最近的前六顆行星的詳細探測，而最外圍的天王星與海王星僅在30年前有過一次飛掠式的造訪。不過NASA已開始評估重返這兩顆行星，預(yù)計將在下個十年出發(fā)。
 天王星（左）與海王星（右），人類僅在30年前造訪過它們，也是迄今唯一的一次，現(xiàn)在很多科學(xué)家認為是時候重返外太陽系去詳細的認識它們。（騰訊太空配圖） 騰訊太空訊（桂林）在行星科學(xué)里，我們將太陽系的四顆巨行星分為兩個類別：一類是主要由氫和氦組成的氣態(tài)巨行星，如木星與土星；另一類是主要由比氫和氦更重的氣體組成的冰巨行星，如天王星與海王星。目前人類已完成多次對木星與土星的拜訪，但遠在太陽系最外圍的天王星與海王星，迄今僅有旅行者2號各造訪過一次，而且距離上次拜訪已過去三十年，人類對這兩顆冰冷星球依舊非常缺乏了解。 天王星繞太陽公轉(zhuǎn)一圈需要84年，而海王星需要164年。（騰訊太空配圖） 因為距離太陽非常遙遠，它們與我們?nèi)祟愐呀?jīng)詳細探測的其他六顆行星存在很多不同。這兩顆巨行星繞太陽公轉(zhuǎn)一圈需要很長時間：天王星需要84年，海王星則更久，需要164年，因此這兩顆星球的季節(jié)變化非常緩慢，一個季節(jié)要持續(xù)幾十年。在不久的未來，將有新探測器前往讓人類了解更多這兩顆星球的秘密。 1986年1月25日，旅行者2號在離開天王星前往海王星時，轉(zhuǎn)身拍下了這張新月形的天王星。天王星呈現(xiàn)藍綠色是因為大氣中含有大量甲烷。（騰訊太空配圖） 2016年恰好是旅行者2號造訪天王星三十周年，1986年1月24日旅行者2號在距離天王星云頂81500公里處近距離飛過，并發(fā)現(xiàn)了10顆新的天王星衛(wèi)星。隨后不到四年的時間，旅行者2號在1989年8月25日近距離飛過海王星，這兩次近距離飛掠使天王星與海王星不再是天文學(xué)家望遠鏡里的模糊藍點。近些年，隨著地球上更大更先進的設(shè)備啟用，科學(xué)家獲得了不少這兩顆遙遠行星的驚人信息。 2014年，夏威夷凱克天文臺發(fā)現(xiàn)海王星大氣層出現(xiàn)了新的風(fēng)暴。（騰訊太空配圖） 但因為實在太過遙遠，在距離這兩顆行星數(shù)十億公里外的地球，我們對它們觀測而得到的新發(fā)現(xiàn)是有限的，越來越多美國與歐洲的科學(xué)家認為是時候重新發(fā)射探測器前往這兩顆行星了。而且不同于2015年新視野號對冥王星的快速飛掠，新的任務(wù)將是以環(huán)繞的方式對其進行長期探測。 2015年8月，美國宇航局行星科學(xué)部主任吉姆·格林(Jim Green)給了噴氣推進實驗室（JPL）工程師一年的時間，讓他們?nèi)ニ伎既绾螌⒁凰姨綔y器送入環(huán)繞天王星或海王星運行的軌道。格林認為這兩顆最外圍的巨行星將是非常重要的科學(xué)前沿陣地，因為它們有太多未知等待人類去揭曉。重型火箭太空發(fā)射系統(tǒng)（SLS）的研制與越來越多太陽系外行星被發(fā)現(xiàn)，讓我們更容易也更急迫前往這兩顆行星，這是個讓人激動的時刻，因為我們可以抵近去了解這兩顆冰冷的星球。 當(dāng)然，這兩顆冰巨行星并非是完全冰封的冰球，它們同樣也是氣態(tài)行星。只是相比較木星與土星，天王星與海王星擁有更多比重的水、氨和甲烷，氫和氦的比重卻相對較少，天文學(xué)家把這類行星稱為冰巨行星。這是因為氫和氦沸點較低，氣態(tài)巨行星大氣層的氫和氦幾乎都是以氣態(tài)存在的；而水、氨和甲烷沸點相對較高，更易結(jié)冰。太陽系四顆巨行星的內(nèi)核目前廣泛的觀點認為是較小的巖石核心。 從旅行者2號飛掠這兩顆行星以來，這三十年，科學(xué)家已經(jīng)對天王星與海王星有了更多了解。他們已經(jīng)知道這兩顆巨大行星在40億年前就已遷徙到現(xiàn)在的軌道上，并利用自身引力將大量冰與巖石殘骸掃出軌道形成了今天太陽系邊緣的柯伊伯帶，那里也是許多彗星的家。 在飛掠海王星三天后，旅行者2號轉(zhuǎn)身拍下了這幅海王星與海衛(wèi)一的新月圖。（騰訊太空配圖） 在1989年，旅行者2號飛掠海王星時，天文學(xué)僅知道太陽系擁有行星。隨后，研究人員發(fā)現(xiàn)了近2000顆圍繞其他恒星運轉(zhuǎn)的行星。同時在開普勒太空望遠鏡發(fā)現(xiàn)的系外行星中，個頭與天王星和海王星差不多大的行星占大多數(shù)，這意味著在銀河系中，像天王星和海王星這樣的冰巨行星可能是最常見類型的行星。 來自亞利桑那州圖森行星科學(xué)研究所的科學(xué)家坎迪斯·漢森（Candice Hansen）介紹說：“我們才剛剛對太陽系后院的這兩顆行星有所了解，就在其他恒星周圍發(fā)現(xiàn)了一堆這種類型的行星。目前我們對天王星和海王星都只是初步的了解，該如何去解釋圍繞其他恒星運轉(zhuǎn)的同類型行星？” 天王星與海王星是我們太陽系僅有的兩顆在望遠鏡時代開始后新發(fā)現(xiàn)的行星，其他六顆行星在望遠鏡被發(fā)明前即被人類肉眼所確認。威廉·赫歇爾在1781年發(fā)現(xiàn)了天王星，天文學(xué)家約翰·格弗里恩·伽勒在1846年發(fā)現(xiàn)了海王星，而且海王星在被發(fā)現(xiàn)前，已經(jīng)由數(shù)學(xué)家約翰·柯西·亞當(dāng)斯與勒·維耶計算出軌道并預(yù)測其存在。 在旅行者2號抵達前，研究人員對這兩顆行星了解的很少，但是這兩顆行星的秘密卻又密切關(guān)聯(lián)。天王星距離太陽29億千米，海王星距離太陽45億千里，這恰好是大型望遠鏡能夠直接觀測的最邊緣位置。 科學(xué)家已經(jīng)了解了這兩顆行星的一些特性：直徑都約為地球直徑的四倍，質(zhì)量都約為地球質(zhì)量的16倍。離太陽較近的天王星繞太陽一圈需84年，稍小的海王星則需要近兩倍的時間。這兩顆行星都有許多小型衛(wèi)星環(huán)繞，并且都有一組暗淡的光環(huán)。 從太陽系早期開始，天王星就可能是最奇特的行星，它像在軌道上被撞翻在一側(cè)，很可能是早期被一顆行星闖入撞擊造成的，這也造成了天王星極端的季節(jié)，而且每個季節(jié)會持續(xù)幾十年?；谠诘厍蛏系挠^測，天王星表面似乎很平靜；而海王星則相反，表面反光的云層圍繞著行星，似乎更愿意向外透露它的信息。 太陽系里最奇特的兩顆衛(wèi)星：天衛(wèi)五（左）與海衛(wèi)一（右）。天衛(wèi)星擁有太陽系最高的懸崖，高達20千米；海衛(wèi)一是太陽系最大的逆行衛(wèi)星，它可能是冥王星的“表親”。（騰訊太空配圖） 近距離觀測與親自前往是深入了解這兩顆行星的最好辦法。當(dāng)旅行者2號在1986年1月抵達天王星時，迎接它到來的是一顆平淡無奇的星球，海藍寶石般的云層并不活躍，這讓天王星有了“單調(diào)乏味的星球”綽號。但旅行者2號也探測到天王星擁有一個異常復(fù)雜的磁場，發(fā)現(xiàn)了天王星幾個新環(huán)，并很好地觀測了數(shù)顆冰冷衛(wèi)星。這些衛(wèi)星中最奇特的當(dāng)屬天衛(wèi)五米蘭達（Miranda），它像是曾被誰敲碎再倉促地粘合在一起。 1989年8月23日，旅行者2號發(fā)現(xiàn)海王星存在一塊被白云圍繞的“大黑斑”，這被認為是類似木星大紅斑的大型風(fēng)暴。“大黑斑”直徑與地球相仿，1990年代哈勃望遠鏡再觀測時，發(fā)現(xiàn)它已消失。（騰訊太空配圖） 飛掠天王星三年零七個月后，旅行者2號抵達海王星北極，這是一個更加充滿活力的行星。風(fēng)暴攪動著寶藍色大氣，并存在類似木星大紅斑的大暗斑。旅行者號觀測到海王星云層上的風(fēng)速達到2000千米/小時，這也是太陽系內(nèi)最快的風(fēng)速紀錄。旅行者號也拜訪了海王星最大的衛(wèi)星海衛(wèi)一特里同（Triton），冰火山在其坑洼的表面不斷噴發(fā)，不斷暗示海衛(wèi)一地下仍有活躍的地質(zhì)活動。 但是這兩顆行星仍有很多未解之謎需要揭曉，這是在地球上無法做到的。雖然兩顆行星核心都應(yīng)該有一個溶融狀態(tài)的核心，但是相比較更遠的海王星，天王星放出的熱量極少。這兩顆行星的磁場也與眾不同，與它們的自轉(zhuǎn)軸相比較為傾斜，并偏離行星核心。天王星的衛(wèi)星們有一半的面貌目前依舊是未知的。 旅行者姊妹號(VOYAGER)堪稱人類太空探索史上的傳奇。特別是旅行者2號，一次造訪了四顆大行星。（騰訊太空配圖） 旅行者號使用上世紀70年代的儀器完成了這兩顆行星的造訪，并極大拓展了天文學(xué)家的視野。旅行者1號和2號發(fā)射于1977年，這一年蘋果公司的Apple II和雅達利2600游戲機也是首次發(fā)售，這是40年前的技術(shù)。如果現(xiàn)在將iPhone裝上太空船并送到那里，我們將獲得比40年前清晰多的圖像。 2014年，夏威夷凱克天文臺發(fā)現(xiàn)天王星的大氣層正變得活躍。（騰訊太空配圖） 從那以后，更先進的設(shè)備如夏威夷的凱克望遠鏡和低地球軌道上的哈勃太空望遠鏡取得了超越旅行者姊妹號的成就。它們觀測到天王星南半球在2000年代中期由夏季往秋季過渡期間，出現(xiàn)了風(fēng)暴并讓大氣層變得更像海王星，科學(xué)家此前認為天王星是個平淡無奇“無聊星球”的觀點可能是不正確的。但是地球附近的先進望遠鏡有它的局限性，因為距離太遠，獲得的圖像清晰度遠遠不夠，要了解這兩顆行星的物理與化學(xué)變化，我們只有前往那里。 在2010年，歐洲的科學(xué)家向歐空局（ESA）建議執(zhí)行一次中等規(guī)模的天王星探測任務(wù)，發(fā)射一艘軌道器前往天王星執(zhí)行環(huán)繞探測任務(wù)，這項任務(wù)將耗資5億歐元（約36億人民幣）。不過它在2013年與一項耗資10億歐元（72億人民幣）的大項目競標失敗，并在2014年的中型項目中再次落選。雖然歐空局每次都把探測天王星的項目放在優(yōu)先位置，但最后總是不了了之。歐空局將在今年春天再次討論一個新的中型探測任務(wù)，不過有關(guān)天王星的探測計劃仍將很難獲得通過。 這其中一大問題是歐空局沒有可以使用的核電源，因為天王星距離太陽非常遙遠，那里是無法使用太陽能作為能源。不過美國宇航局（NASA）已經(jīng)開始重新生產(chǎn)核電池的重要原料钚-238，它可以應(yīng)用在放射性同位素?zé)犭姍C（RTG）上，將钚-238在衰變時放出的熱量轉(zhuǎn)變成電能為探測器供電。因此如果能夠獲得美國宇航局的支持，那么歐空局的天王星任務(wù)將變得可行。 在2011年，美國的行星科學(xué)家們將火星、木衛(wèi)二、天王星列為下個十年NASA優(yōu)先考慮的旗艦項目，這類項目也是耗資最高的深空探測任務(wù)，而前往火星與木衛(wèi)二的項目正在籌備中。今年9月，噴氣推進實驗室（JPL）將會給予美國宇航局有關(guān)冰巨行星旗艦探測任務(wù)的構(gòu)思，包括宇航局為完成科學(xué)目標該投資在哪些項目上等細節(jié)。 至于具體哪些探測項目在科學(xué)任務(wù)上是必要的，這取決于探測器要造訪哪一顆行星（天王星還是海王星），而且這兩顆行星都非常吸引人。由于天王星像是被撞翻傾倒在軌道上，它的四季非常極端。天王星的兩極會有持續(xù)42年的極晝和42年的極夜，這使得天王星成為了解行星如何運轉(zhuǎn)的極好試驗場，可以利用天王星這樣躺在軌道上的星球驗證行星科學(xué)的相關(guān)理論。 但另一方面，天王星有點太奇怪了，或許海王星是更好研究典型冰巨行星的目標，這對于理解繞其他恒星運轉(zhuǎn)的行星非常重要。旅行者2號已為地球人展示了一個擁有活躍大氣與風(fēng)暴，提供很多迷人細節(jié)的行星。雖然天王星也開始變得活躍，但相比較海王星，它還是顯得太平淡。 左圖為地面望遠鏡2002年拍攝的天王星與它的衛(wèi)星群；右圖為海王星與它的衛(wèi)星群，哈勃望遠鏡拍攝。（騰訊太空配圖） 但是說起這兩顆大行星的衛(wèi)星，情況則相反?？茖W(xué)家笑稱：如果去海王星，我們會看到一顆正常的行星和一群不太正常的衛(wèi)星；但是去天王星，會看到一顆古怪的行星與一群正常的衛(wèi)星。 天王星擁有5顆大衛(wèi)星和22顆小型衛(wèi)星，科學(xué)家認為這些衛(wèi)星應(yīng)該是與天王星同時形成的，因為這些衛(wèi)星和天王星的光環(huán)、自轉(zhuǎn)軸一樣是傾斜在軌道上的。旅行者2號在飛掠時無法看到這些衛(wèi)星另一半球的樣子，整個天王星系統(tǒng)有一半的秘密依然未知，特別是這些衛(wèi)星。 但是海王星擁有太陽系最大的逆行衛(wèi)星--海衛(wèi)一“特里同（Triton）”，它來自太陽系邊緣，早期被海王星俘獲成為衛(wèi)星。海衛(wèi)一是個迷人冰冷的世界，但又如同土衛(wèi)二“恩克拉多斯（Enceladus）”一樣擁有間歇噴發(fā)的冰火山，因此海衛(wèi)一的冰層下可能擁有一個地下海洋。海衛(wèi)一的表面在過去一千萬年被活躍的地質(zhì)活動不斷重塑，這在地質(zhì)史上是極短的時間，這暗示近期海衛(wèi)一的地質(zhì)活動相當(dāng)劇烈。 海衛(wèi)一繞海王星的運行軌道與海王星自轉(zhuǎn)方向相反，因此它并不是與海王星一起形成的，科學(xué)家認為海衛(wèi)一最早應(yīng)該與冥王星一樣，是在柯伊伯帶形成的。海衛(wèi)一與冥王星具有親緣關(guān)系，它們也是科學(xué)研究的極好對照。 這兩顆行星都充滿著吸引人的謎團，選擇前往其中任何一個都會讓行星科學(xué)家們得到大量科學(xué)信息，大多數(shù)科學(xué)家都樂意去其中任何一個。但最終決定前往哪顆行星，會考慮到投入資金與所獲得的科學(xué)價值，投入少而獲得更多科學(xué)信息的那個會勝出。 前往這兩顆行星是不易的，一艘探測器需要十多年的時間才能抵達。雖然有辦法縮短行程時間，比如借助木星或土星的引力加速，但這需要這些行星在正確的時間處在正確的位置上。 世事皆平等，天王星距離我們更近，因此我們前往它更容易花費也更便宜；但是如果希望借助木星或土星的引力加速，海王星是更合適的那個。 美國宇航局將在2018年發(fā)射重型火箭SLS，它可以用不到十年的時間將探測器送抵天王星，這個時間比新視野號抵達冥王星還要短。（騰訊太空配圖） 美國宇航局目前正在研發(fā)重型火箭--太空發(fā)射系統(tǒng)（SLS），它將于2018年首次升空。它將大幅縮短人類前往這兩顆行星的時間。SLS將是有史以來最強大的火箭，它能將物體以非常快的速度送入太空。如果用SLS來發(fā)射探測器，它將僅需幾年的時間即可抵達這兩顆行星中的一顆。 縮短行星際巡航時間可以節(jié)省時間與資金，但是飛船飛的越快，它在抵達目標行星時需要減速的過程就越困難。探測器將不得不削減攜帶的儀器數(shù)量，以攜帶更多的燃料來減速。解決這個問題有個大膽的辦法是依靠行星的大氣來進行氣動減速，探測器可以深入行星大氣降低自己的速度，但同時需要預(yù)防巨大的大氣摩擦將探測器摧毀。一些太空任務(wù)會使用更溫和的方式返回地球，比如不斷調(diào)整軌道多次進入大氣層來降速，但至今沒有過深空探測器使用過這種方法。 噴氣推進實驗室將在今年評估這些風(fēng)險，并研究去每個行星的科學(xué)任務(wù)。這兩個行星的探測任務(wù)任何一個都不能出差錯，因為任何一個成功都將是革命性的改變?nèi)祟悓μ栂档恼J知。 新視野號造訪冥王星就是很好的例子。在未抵達冥王星前，科學(xué)家們已經(jīng)知道可能有什么新的發(fā)現(xiàn)在等待他們，但最終新視野號發(fā)回的驚人信息大大超過了他們的預(yù)期。冥王星探測任務(wù)讓我們對太陽系邊緣有了非常多的驚人發(fā)現(xiàn)，而現(xiàn)在太空探索的前沿正是這兩顆冰巨行星：天王星和海王星。 [責(zé)任編輯：sorazhang]
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