天王星將會是美國宇航局行星探索的重點目標

編譯 王曉濤

數(shù)十年來，天王星一直不像其他行星那樣引人注目。然而，根據(jù)一個行星科學小組的報告，天王星接下來將會成為美國宇航局的探索重點。這份報告出自民眾期待已久的“十年調(diào)查”計劃，美國宇航局正是通過這一預先設定的計劃向國會申請資助。如果科學家們?nèi)缭敢詢敚詈骄謱⒃?1世紀30年代初向天王星發(fā)射總價為42億美元的軌道飛行器和大氣探測器，目的是探索這顆冰巨星的組成結構和形成原因。蘇黎世大學的行星科學家拉維特·赫勒德（Ravit Helled）是參與調(diào)查研究工作的130名科學家之一，根據(jù)他的描述，天王星及其鄰居海王星的大小介于巖石行星和氣態(tài)巨行星之間，“它們屬于一種我們知之甚少的獨特的行星類型”。

科研小組的聯(lián)合主席，美國西南研究院的行星科學家羅賓·卡努普（Robin Canup）指出，最終決定選擇天王星而不是海王星的想法可以稱作一種“天體機會主義”。如果在2031年或2032年用獵鷹重型火箭發(fā)射，軌道飛行器就可以利用木星的引力輔助航行，并在13年內(nèi)到達天王星。如果目標是海王星，就會需要更長的時間。“這項任務在技術上已經(jīng)準備就緒，”卡努普說，“我們希望立即展開行動。”但是，任務能否順利實施還要看美國宇航局的預算是否會因新冠疫情和飆升的任務成本而受到限制。

1986年，旅行者2號探測器掠過。自此之后，人類再也沒有近距離探索過這顆行星

現(xiàn)在，太空探索的對象是時候輪到天王星了。2011年，在上一份十年調(diào)查的報告中，探索冰巨星的任務排在了第三位，排名更靠前的是從火星獲取巖石樣本的任務以及對木星的衛(wèi)星歐羅巴的探測——這些任務目前都正在實施或規(guī)劃當中。在調(diào)查報告中，排名在探測天王星之后的提議，是一項耗資49億美元的任務，探索目標是土星的一顆小衛(wèi)星，土衛(wèi)二。在土衛(wèi)二表面冰蓋的裂縫中，富含有機物的水柱噴涌而出——這種現(xiàn)成的樣本可能會告訴我們，土衛(wèi)二上存在含有微生物的地下海洋。“土衛(wèi)二可能是目前尋找地外生命存在證據(jù)的最佳地點。”亞利桑那州立大學的行星科學家、另一位聯(lián)合主席菲利普·克里斯滕森（Philip Christensen）說。（在這一提議中，任務完成后項目組將在歐羅巴的表面放置一個著陸器，而在此之前，這個計劃一直是作為首要任務而推進的。）

該報告還列舉了一系列有競爭力的任務目標，它們被稱作“新前沿”。其中一些項目，比如土星探測、彗星樣本采集、月球地質(zhì)網(wǎng)絡等，在之前的調(diào)查報告中經(jīng)常出現(xiàn)。另外一些項目則是全新的，例如：對谷神星，一顆小行星帶中的富含水的矮行星進行采樣；發(fā)射軌道飛行器和著陸器，對半人馬小行星——一種位于木星和海王星之間、組成成分可反映早期太陽系情況的小天體——進行探測；探索土星衛(wèi)星泰坦的軌道飛行器；用于金星探測的著陸器或氣球；土衛(wèi)二羽狀物采樣器，等等。（克里斯滕森指出，兩個不同的任務均將目標設置為土衛(wèi)二，這說明了這顆衛(wèi)星的重要性。）

專家組建議，美國宇航局應當繼續(xù)致力于探索月球和火星。在美國的火星樣本采集任務完成之后，專家組希望可以開發(fā)一個價值11億美元的機器人著陸器，稱為火星生命探索者，它將在中緯度的冰層中鉆透2米深的距離。

至于月球探測，專家組支持由美國宇航局載人航天部門資助的阿爾忒彌斯計劃，該計劃的目標是再次派遣宇航員前往月球表面。科研人員希望這一計劃可以體現(xiàn)科學的前瞻性，而不是在結束后再去人為地賦予一些意義。“這個項目的成果不會僅僅是旗幟和腳印。”報告的起草人之一、加州理工學院的行星科學家貝瑟尼·埃爾曼（Bethany Ehlmann）說。根據(jù)報告內(nèi)容，宇航局需要建造一個價值15億美元的大型長航程機器人漫游車，稱為 Endurance-A，它可以前行1 000公里，鉆取100公斤的樣本，并將它們送回至宇航員處，最終帶回地球上的實驗室。

這些雄心壯志使得美國宇航局的行星科學預算極度緊張，現(xiàn)在已經(jīng)達到了每年31億美元——這是自20世紀70年代海盜號火星任務以來的最高年預算。火星樣本采集任務將取回之前毅力號火星車收集的巖石，這一任務耗資超過70億美元，并會在未來的幾年里消耗四分之一的行星科學預算。歐羅巴快船探測器預計于2024年發(fā)射，之后將會飛掠月球近50次，其成本已從42.5億美元增長到50億美元。由于一些有競爭力的任務目的地偏遠，所需的時間很長，它們的預算都增加了一倍以上，超過了之前的支出限制。

預算超支導致美國宇航局推遲了一些項目。比如雄心勃勃的“蜻蜓”任務，目標是土星富含甲烷的衛(wèi)星土衛(wèi)六，它的探測器發(fā)射時間將由2025年推遲至2027年。下一個新前沿項目的確立預計也會推遲數(shù)年。為了阻止這樣的惡性循環(huán)，美國宇航局迫切需要面對現(xiàn)實，將新前沿項目和發(fā)現(xiàn)項目這兩條處于競爭關系的任務線的成本上限分別提高到16.5億美元和8億美元，同時還要強調(diào)，這些任務應當充分考慮時間成本。通過這些措施，美國宇航局在未來的十年里可以選擇五項發(fā)現(xiàn)任務，但只能確定一項新前沿任務。

土衛(wèi)二，土星的一個冰冷的衛(wèi)星，正在向太空噴射鹽水。在十年調(diào)查中，土衛(wèi)二的探測計劃排名第二

報告強調(diào)，盡管為了完成大型任務，行星科學預算已經(jīng)增加，但推進相關工作的科學家們并沒有得到增長的收益。過去十年，用于資助研究的預算份額已從2010年的14%降至了7.7%。雖然有更多的女性進入了該領域工作，但少數(shù)種族的族裔群體，尤其是拉丁裔和黑人科學家，分別僅占總勞動力的5%和1%。“我們尚有不少人才亟待發(fā)掘，并且已經(jīng)錯過了許多優(yōu)秀的人才和杰出的想法。”卡努普說。報告建議，應當對科研人口進行更詳盡的統(tǒng)計，并進一步支持少數(shù)種族學生的博士項目。現(xiàn)在涉足該領域的學生可能將會在未來成為探測天王星任務的中堅力量。

1986年，旅行者2號探測器飛越天王星，人類首次近距離觀測到了這顆冰巨星。這次觀測令許多科學家將冰巨星的存在視為一種異常現(xiàn)象：這是發(fā)育不全的氣態(tài)巨行星在演化停止之前的狀態(tài)，它僅含有幾個地球質(zhì)量的氫和氦，其形成原因要么是因為缺乏氣體，要么是因為成型時間較晚。但是，加州大學圣克魯斯分校的行星科學家喬納森·福特尼（Jonathan Fortney）說，在旅行者2號之后，天文學家已經(jīng)在其他恒星周圍發(fā)現(xiàn)了數(shù)千顆行星，其中有許多與天王星大小相仿。“大自然很喜歡制造這種大小的行星。”

天王星具有獨特的魅力。它的自轉軸幾乎是水平的——這可能是早期的一次巨大撞擊導致的結果。與其他行星相比，天王星的溫度極低，這表明它要么冷卻得很快，要么它的大氣可以有效阻止熱量交換。它的外圍有兩組環(huán)，還有一系列密集的原始衛(wèi)星和各種奇怪的小天體，它們可能是被捕獲的彗星，或是來自海王星外側的柯伊伯帶區(qū)域的天體。“有些小天體的內(nèi)部可能仍然有水。”約翰霍普金斯大學應用物理實驗室的行星科學家柯比·魯尼恩（Kirby Runyon）說。

然而，說到海洋存在的可能性，這些天體遠遠比不上直徑僅為504公里的土衛(wèi)二。2005年，美國宇航局的卡西尼號宇宙飛船發(fā)現(xiàn)了從土衛(wèi)二冰冷表面上的裂縫中噴出的羽狀鹽水流。對鹽水流的探測顯示，其中含有生命誕生所必需的大量有機分子，以及二氧化硅和氫氣。這表明冰層下的海洋深處可能有熱液噴口，這是微生物的潛在能源。

之后，“土衛(wèi)二繞落器”任務得到了批準。該任務將對羽狀水流進行采樣并在衛(wèi)星表面展開幾年時間的調(diào)查，然后轉向衛(wèi)星側面，在引力較弱且沒有明顯大氣層的地方著陸，這是一項相對容易的任務。探測器將會重點關注那些噴發(fā)的水流像雪一樣落下的地方，利用儀器對其采樣。這些儀器包括DNA測序儀和顯微鏡，二者將明確用于檢測生命存在的痕跡。應用物理實驗室的行星科學家香農(nóng)·麥肯齊（Shannon MacKenzie）是相關研究的領導者，他認為，土衛(wèi)二符合所有宜居性要求，因此，“下一個問題是：土衛(wèi)二上有人居住嗎？”

資料來源 Science