“行星連珠”機不可失!太陽系冰巨星受到關註

科技日報記者 劉霞

在太陽系除地球之外的七大行星中,火星可謂行星科學傢眼中的“白月光”,他們對火星開展瞭長期而持續的探索;人類也朝木星、土星、水星和金星分別派遣瞭多位“使者”,窺探到這些行星不少秘密,唯獨天王星和海王星,迄今隻有“旅行者2”號探測器於上世紀80年代拜訪過。這兩顆藍色的冰巨星是太陽系中距離地球最遠、人類探索最少因此也最神秘的行星,恍如花界的“藍色妖姬”。

“行星連珠”機不可失!太陽系冰巨星受到關註

“旅行者2”號看到的“天王星”(左)和“海王星”(右)。圖片來源:英國《自然》雜志網站

現在,隨著一個罕見的“行星連珠”時刻日益接近,越來越多科學傢提議向天王星或海王星派遣探測器。他們認為,探究這兩顆冰巨星將為很多研究人員提供嶄新的探索領域,包括研究天王星的行星環、行星大氣層、行星的衛星和海洋等,進一步揭示太陽系邊緣隱藏的奧秘。

“藍色妖姬”

天王星是太陽系所有行星中最神秘的一顆,這顆有著大理石紋的淡藍色星球,懸在黑暗冰冷的太空深處,距離太陽29億公裡,和土星一樣,天王星也有行星環;而在距太陽45億公裡的太空深處,棲息著海王星。

科學傢將天王星和海王星視為“雙胞胎”,因為它們的大小和質量相似。但瑞士蘇黎世大學行星科學傢拉維特·海勒德表示,盡管如此,沒人知道它們究竟有多相似,也不知道它們的組成以及它們如何形成。

現有模型很難解釋這兩顆行星的內部結構,也無法闡釋為什麼距太陽更遙遠的海王星似乎比距離太陽更近的天王星更熱——“旅行者2”號提供的數據顯示,天王星的表面溫度為零下224攝氏度,是太陽系中最冷的行星;而海王星的表面溫度為零下214攝氏度。

此外,海勒德說,每個人都認為,這兩顆天體是由水或氨冰組成,“但真相如何仍是未知數”,需要派遣探測器前去瞭解究竟。

英國佈裡斯托大學系外行星科學傢漢娜·威克福德表示,探索冰巨星的重大任務也將使系外行星研究受益。因為已知系外行星中,約40%跟冰巨星差不多大小,對太陽系內這兩顆冰巨星的瞭解將有助於我們進一步瞭解這些系外行星的大小和大氣層,從而揭示它們的形成和演化過程。

參與上述會議的專傢一致認為,他們很樂意探測其中任何一顆行星,因為拜訪任意一顆都會獲得豐碩的成果。研究表明,一箭雙雕——派遣一個探測器拜訪兩顆行星是可行的,但這樣做的成本太高。

如果二選一的話,有科學傢認為,應該派遣探測器拜訪海王星,因為其最大的衛星海衛一“特裡同”(Triton)的地質活動很活躍,而且,或許擁有一個可能由液態水組成的地下海洋。海衛一是海王星14顆衛星中最大的一顆,其表面覆蓋著凍結的固態氮,我們本以為這個世界寂靜無聲,但“旅行者2”號帶來驚喜,這個冰凍世界存在地質活動——噴向太空高達8公裡的間歇泉。

NASA噴氣推進實驗室行星科學傢馬克·霍夫施塔特則表示,天王星比海王星更奇特,因為天王星的磁場相對於行星旋轉軸傾斜,這挑戰瞭現有科學模型。此外,天王星的發射窗口更晚一點,也使探索這顆行星更切合實際。

“曲線救國”

科學傢們指出,除瞭海王星和天王星這對“藍色妖姬”本身充滿神秘的誘惑,惹人一探究竟之外,這兩顆行星和木星之間罕見的“行星連珠”現象將出現於本世紀30年代初。“行星連珠”指當行星都在太陽同一側排列在一條直線上的時候。

屆時,航天器可利用這一現象,在飛向行星的途中利用木星的引力彈弓效應,縮短行進時間,更快到達目的地。此外,利用引力彈弓效應還可以減少探測器的燃料使用量,使飛船能攜帶全套科學儀器。

為利用這一罕見的時刻,前往海王星的探測器需要在2031年左右發射;而前往天王星的探測器則需要在本世紀30年代中期發射。

霍夫施塔特說,上述兩個時間段是“正確的發射時機,機不可失。”

盡管如此,時間緊迫,對於NASA而言,此類耗資數十億美元“旗艦”任務通常需要7到10年時間準備,而NASA要根據將於2022年發佈的《行星科學十年調查》中所確定的任務優先級來考慮批準哪些項目,前往海王星或天王星的任務將面臨從火星取回樣本或探索金星等提案的競爭。

英國萊斯特大學的行星科學傢利·弗萊徹說,前往其中任何一顆行星的飛行任務都應包括進入行星軌道並向其大氣層或其一顆衛星發射至少一個探測器,就像NASA和歐洲航天局(ESA)聯合開展的“卡西尼-惠更斯”號土星探測器探測土星時所做的那樣,其中,“卡西尼”號探測器的任務是環繞土星飛行,“惠更斯”號探測器是“卡西尼”號攜帶的子探測器,其任務是深入土星最大衛星土衛六的大氣層,對其開展實地考察。

時不我待 來不及

盡管如此,很多人擔心時間來不及。歐洲航天局(ESA)戰略、規劃和社團協調負責人法比奧·法瓦塔在會議上表示,就太空而言,“就像要後天派遣探測器一樣”。ESA正在開展兩項重要人物,預計於本世紀30年代初發射。因此,“旅行者2050”(Voyage 2050)提議拜訪冰巨星,ESA也無法在此發射窗口發射探測器。“旅行者2050”是ESA下一個長期空間探索計劃,所有被這個計劃選中的項目,會在2030年到2050年之間發射。

他補充說,作為備選方案,如果美國同意,ESA可參與NASA領導的任務。兩傢機構都可以發送更輕便、成本更低廉的任務,例如飛越其中一顆冰巨星。這也將為科學傢提供有價值的數據,但無法提供科學傢希望的全面數據。

如果行星科學傢們錯過瞭本世紀30年代的發射窗口,他們將不得不再等十年,等下一“行星連珠”現象出現,或者仰仗更強大的發射系統,例如NASA的“太空發射系統”(SLS),但該技術目前仍處於研發階段。

弗萊徹說,科學傢已對火星、金星、土星、木星等開展瞭較為深入的探索,但“天王星和海王星也有其獨特之處,因為我們還沒有完成探索它們的第一階段”。

人類對冰巨星的每一次造訪都是進入未知世界的遠航,盡管探測器到達那兒時會因為速度太快,隻能在行星范圍內停留數小時,但這數小時收集的數據,也讓我們開始瞭解那些隱藏在太陽系邊緣空間的秘密。

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