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“行星连珠”机不可失 太阳系冰巨星备受关注

来源:科技日报    时间:2020-03-13    


“旅行者2号”看到的“天王星”(左)和“海王星”(右),二者大小和质量相似,被天文学家视为“双胞胎”。图片来源:《自然》网站


太阳系八大行星。图片来源:网络(CBS news)

  科学家对火星开展了长期持续的探索,也向木星、土星、水星和金星分别派遣了多位“使者”,窥探到这些行星不少秘密,唯独天王星和海王星,迄今只有“旅行者2号”探测器于上世纪80年代拜访过。这两颗蓝色的冰巨星是太阳系中距离地球最远、人类探索最少也最神秘的行星。

  现在,随着一个罕见的“行星连珠”时刻日益接近,越来越多科学家提议向天王星或海王星派遣探测器。他们认为,探索这两颗冰巨星将带来很多崭新的研究领域,包括研究天王星的行星环、行星大气层、行星的卫星和海洋等,进一步揭示太阳系边缘隐藏的奥秘。

  太阳系的“蓝色妖姬”

  天王星是有着大理石纹的淡蓝色星球,悬在黑暗冰冷的太空深处,距离太阳29亿公里。和土星一样,天王星也有行星环。而在距太阳45亿公里的太空深处,栖息着海王星。

  天文学家将天王星和海王星视为“双胞胎”,因为它们的大小和质量相似。但瑞士苏黎世大学行星科学家拉维特·海勒德表示,没人知道它们究竟有多相似,也不知道它们的组成以及它们如何形成。

  现有模型很难解释这两颗行星的内部结构,也无法阐释为什么距太阳更遥远的海王星似乎比距离太阳更近的天王星更热——“旅行者2号”提供的数据显示,天王星表面温度为零下224摄氏度,是太阳系中最冷的行星;而海王星表面温度为零下214摄氏度。

  海勒德说,每个人都认为,这两颗天体是由水或氨冰组成,“但真相如何仍是未知数”,需要派遣探测器前去一探究竟。

  英国布里斯托大学系外行星科学家汉娜·威克福德表示,探索冰巨星的重大任务也将使系外行星研究受益。因为已知的系外行星中,约40%跟冰巨星差不多大小,对太阳系内这两颗冰巨星的探索有助于我们进一步了解这些系外行星的大小和大气层,从而揭示它们的形成和演化过程。

  拜访这两颗冰巨星中的任意一颗都会获得丰硕成果。研究表明,虽然派遣一个探测器拜访两颗行星是可行的,但这样做的成本太高。

  如果二选一的话,有科学家认为,应该派遣探测器拜访海王星,因为其最大的卫星海卫一“特里同”(Triton)的地质活动很活跃,而且,或许拥有一个可能由液态水组成的地下海洋。

  但NASA喷气推进实验室行星科学家马克·霍夫施塔特认为,天王星比海王星更奇特,因为天王星的磁场相对于行星旋转轴倾斜,这挑战了现有科学模型。此外,天王星的发射窗口更晚一点,也使探索这颗行星更切合实际。

  “行星连珠”的引力弹弓效应

  科学家们表示,除了海王星和天王星这对“蓝色妖姬”本身充满神秘诱惑之外,这两颗行星和木星之间罕见的“行星连珠”现象将出现于本世纪30年代初。“行星连珠”是指行星都在太阳同一侧且排列在一条直线上。

  届时,航天器可利用这一现象,在飞向行星的途中利用木星的引力弹弓效应,缩短行进时间,更快到达目的地。此外,利用引力弹弓效应还可以减少探测器的燃料使用量,使飞船能携带全套科学仪器。

  为利用这一罕见的时刻,前往海王星的探测器需要在2031年左右发射;而前往天王星的探测器则需要在本世纪30年代中期发射。

  霍夫施塔特说,上述两个时间段是“正确的发射时机,机不可失。”

  错过机会将再等十年

  尽管如此,很多人担心时间来不及。对于NASA而言,此类耗资数十亿美元的“旗舰”任务通常需要7—10年时间准备,而NASA要根据将于2022年发布的《行星科学十年调查》中所确定的任务优先级来考虑批准哪些项目,前往海王星或天王星的任务将面临从火星取回样本或探索金星等提案的竞争。

  欧洲空间局(ESA)战略、规划和社团协调负责人法比奥·法瓦塔表示,就太空而言,“就像要后天派遣探测器一样”。ESA正在开展两项重要任务,预计于本世纪30年代初发射。因此,“旅行者2050”(Voyage 2050)提议拜访冰巨星,ESA也无法在此发射窗口发射探测器。“旅行者2050”是ESA下一个长期空间探索计划,所有被这个计划选中的项目,会在2030年到2050年之间发射。

  他补充说,作为备选方案,如果美国同意,ESA可参与NASA领导的任务。两家机构都可以发送更轻便、成本更低的任务,例如飞越其中一颗冰巨星。这也将为科学家提供有价值的数据,但无法提供科学家希望的全面数据。

  如果错过了本世纪30年代的发射窗口,科学家们将不得不再等十年,等下一“行星连珠”现象出现,或者仰仗更强大的发射系统,例如NASA的“太空发射系统”(SLS),但该技术目前仍处于研发阶段。

  英国莱斯特大学的行星科学家利·弗莱彻说,人类已对火星、金星、土星、木星等开展了较为深入的探索,但“天王星和海王星有其独特之处,我们还没有完成探索它们的第一阶段”。

  人类对冰巨星的每一次造访都是进入未知世界的远航,尽管探测器到达那里时会因为速度太快,只能在行星范围内停留数小时,但这数小时收集的数据,也让我们开始了解那些隐藏在太阳系边缘空间的秘密。

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