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天王星探索任務不能再拖了,百位科學家聯合撰文:錯過要再等十年

在這「八個兄弟」之中,只有天王星是「躺著公轉」的。再加上它的光環,我們更加可以清晰地感受到它在公轉時呈現的詭異之處。

2020-08-02 14:51 / 1人閱讀過此篇文章  

太陽系最具特色的行星

太陽系的八大行星,每一個都擁有著自己的特色。不過,天王星的特色卻尤為明顯。在這「八個兄弟」之中,只有天王星是「躺著公轉」的。

它的自轉軸和軌道的夾角大約是97.77°,幾乎就是一個直角。再加上它的光環,我們更加可以清晰地感受到它在公轉時呈現的詭異之處。不僅如此,天王星還有一個非常奇怪的等離子體氣泡,導致它的大氣在悄悄流失;它的磁軸和自轉軸又有著比較大的夾角,在八大行星中獨樹一幟……

(圖片說明:黃色箭頭是太陽的方向,深藍色的箭頭是它的自轉軸,淺藍色箭頭則是它的磁軸)

關於天王星,我們的了解非常有限,甚至連對它的疑問也沒有木星和土星那麼多。目前來說,我們對它的了解在很大程度上都是來自於34年旅行者2號探測器短暫飛掠時獲取的。直到今天,很多天文學家還不得不「炒冷飯」,僅憑著這些很久以前的數據對天王星進行研究

除此之外,我們也可以依靠望遠鏡進行一些有限的觀測,比如哈勃太空望遠鏡。可問題在於,就算這些望遠鏡的解析度提升得再高,有很多問題也必須要靠近天王星才能探測,幫助我們解開這些關於冰巨星的秘密。為此,一支科學團隊正式發表了一份聲明,建議打造一個強大的探測器,前往近30億公里外的天王星一探究竟。

該聲明來自於SETI研究所的科學家Richard Cartwright博士與SETI及NASA艾姆斯研究中心的科學家Chloe Beddingfield博士,他們徵集了100多位同行作為合著者,共同將它發表了出去。他們在聲明中建議:我們需要打造一款旗艦級探索任務,斥資至少10億美元,在10年內完成對探測器的設計與建造,並且藉助天王星的探測窗口期將探測器發射出去。

遙遠的「莎士比亞家族」

(圖片說明:天王星和它的衛星們)

實際上,該團隊不僅僅是對天王星本身深感興趣,而且還深深地為它的衛星所著迷。目前來說,人類一共在天王星周圍發現了27顆衛星,它們都是利用莎士比亞戲劇中的人物來命名。科學家們調侃說,他們正在抓緊時間拜讀莎士比亞的戲劇,防止哪天再發現新的天衛。這27顆衛星,被科學家們分為了三類:

  • 主要衛星:一共有5顆,其中最大的是天衛三,但直徑也不足月球的一半;
  • 不規則衛星:共有9顆,它們被認為是天王星從其他地方捕獲的衛星;
  • 環衛星:共有13個成員,它們都位於天王星的行星環區域。

(圖片說明:科學家在地球拍攝到的天王星,它的環和周圍的一些衛星也清晰可見)

其中尤其值得我們關注的,就是5顆主要衛星。它們普遍非常巨大,因此發現得也都比較早。它們很可能都是岩石和水冰組成的天體,甚至有可能在厚厚的冰層之下有流動的液態水海洋。這些海洋對於星球表面的構造有著巨大影響,而科學家對天衛一和天衛五的觀測顯示,它們的確有可能發生了一些地表的變化,暗示著地下海洋的存在。

地下海洋的意義,相信不需要再多介紹了,每一個關注地外生命的人幾乎都已經對這個詞語有條件反射了。可是,如果我們不近距離去探測,就無法證實這些說法。只有通過近距離的觀測和對地表的拍攝,我們才能通過其地質特徵、隕石坑等信息進行分析,確定地表年齡。

(圖片說明:天衛五,來自旅行者2號,這是迄今為止最清晰的天王星衛星圖片)

Cartwright還指出,不僅僅是主要衛星,環衛星之一的天衛二十六也是非常有趣的天體。它位於天王星一個彌散的塵埃環中,它和這個塵埃環之間還有物質的交換;包括天衛三和天衛四也可能從不規則衛星上掠取物質。

這些離奇的衛星之間的「交際」,我們在地球上也同樣無法證實。所以,我們不僅要發射專門的探測器對天王星系統進行探索,而且還要配備相應的儀器。比如這些動態,我們就需要高解析度的可見光相機磁力計以及近紅外測繪光譜儀等。

工欲善其事,必先利其器

當然,這些儀器不僅僅是為了進行這一項觀測,它們還可以在其他很多方面大顯神威。

(圖片說明:天衛二十六,這是我們目前能拍攝到的它最清晰的照片)

  • 可見光相機:對天王星及其衛星表面進行高解析度的成像,更加細緻地觀測天體表面的地質結構、活動及特徵,同時還能對天王星詭異的四季變換進行研究;
  • 磁力計:對天王星與眾不同的磁場進行研究,還可以在天王星的衛星表面之下尋找鹹水海洋的證據,當初伽利略號探測器就是這樣在木星的衛星上尋找地下海洋的,論文作者希望NASA噴氣推進實驗室(JPL)最新開發的磁力計能夠在天王星上展現自己的實力;
  • 近紅外測繪光譜儀:這是目前我們探索其他星球必備的儀器,可以通過光譜分析,確定天體上的化學成分,通過對天王星系統的天體進行光譜儀的探測,可以判斷它們的表面環境,甚至是宜居性。

(圖片說明:JPL最新開發的磁力計,功能十分強大)

為何一定要去天王星?

在回答這個問題時,Cartwright從兩個角度進行了闡釋:

  1. 我們對天王星的了解太少了,距離上一次近距離探測已經過去三十多年了,而且當時的數據也並不很豐富。同為冰巨星的海王星,也面臨著同樣的困境。所以,不論是針對天王星一個天體,還是冰巨星這個類型的天體,我們都急需一些觀測來完善對其的了解
  2. 這一個探測器可以對天王星及其27顆衛星進行共同探索,而如果我們只專注於其他天體的研究,那麼只能對一顆單獨的天體進行觀測,比如月球、火星車等等。更多的探索,意味著更多的發現、更全面的數據和更加豐富的知識。

(圖片說明:旅行者2號拍攝的天王星圖片,在太陽的背面,天王星像是一彎新月)

說到這裡,Cartwright對上一次NASA任務的確定感到遺憾。當時,NASA把僅有的兩個探測機會給了今年的毅力號火星車以及未來前去探索木衛二的歐羅巴快船號,而天王星探索任務排名第三,遺憾落選。他和他的同事們都希望這一次天王星能夠入選,作為旗艦任務進行探測。

最佳的時機

和火星26個月的窗口期不一樣,天王星的探測窗口期間隔更加漫長。由於距離非常遠,所以我們向天王星及海王星發射探測器時,都必須藉助木星的引力彈弓效應來節省能源、減少路程時間。而這樣的機會,大約每10年才會出現一次。

(圖片說明:旅行者2號探測器的飛行路線,它當初就是利用木星的引力彈弓效應實現加速的)

這也是這些科學家比較著急的重要原因,如果錯過下一個窗口期,就要再等10年。如果現在就批准這項任務,至少我們能在2030-2034年藉助木星的引力作用,在40年代初或中期抵達天王星。否則,就很難想像人類探測器何時能近距離探測天王星了。

不過,這件事也不是他們能說了算的,畢竟NASA手裡的經費有限。不論是詹姆斯·韋伯太空望遠鏡還是南希·羅曼太空望遠鏡,都面臨著經費的問題,更不用說載人登月以及前往火星的項目了。鑒於美國今年的經濟形勢,我們也很難說明年是否能拿出足夠的錢來支持天王星的探測。

這個十年到底用不用等,目前也沒人能夠預測,一切都看明年吧!