天王星将会是美国宇航局行星探索的重点目标

编译 王晓涛

数十年来，天王星一直不像其他行星那样引人注目。然而，根据一个行星科学小组的报告，天王星接下来将会成为美国宇航局的探索重点。这份报告出自民众期待已久的“十年调查”计划，美国宇航局正是通过这一预先设定的计划向国会申请资助。如果科学家们如愿以偿，宇航局将在21世纪30年代初向天王星发射总价为42亿美元的轨道飞行器和大气探测器，目的是探索这颗冰巨星的组成结构和形成原因。苏黎世大学的行星科学家拉维特·赫勒德（Ravit Helled）是参与调查研究工作的130名科学家之一，根据他的描述，天王星及其邻居海王星的大小介于岩石行星和气态巨行星之间，“它们属于一种我们知之甚少的独特的行星类型”。

科研小组的联合主席，美国西南研究院的行星科学家罗宾·卡努普（Robin Canup）指出，最终决定选择天王星而不是海王星的想法可以称作一种“天体机会主义”。如果在2031年或2032年用猎鹰重型火箭发射，轨道飞行器就可以利用木星的引力辅助航行，并在13年内到达天王星。如果目标是海王星，就会需要更长的时间。“这项任务在技术上已经准备就绪，”卡努普说，“我们希望立即展开行动。”但是，任务能否顺利实施还要看美国宇航局的预算是否会因新冠疫情和飙升的任务成本而受到限制。

1986年，旅行者2号探测器掠过。自此之后，人类再也没有近距离探索过这颗行星

现在，太空探索的对象是时候轮到天王星了。2011年，在上一份十年调查的报告中，探索冰巨星的任务排在了第三位，排名更靠前的是从火星获取岩石样本的任务以及对木星的卫星欧罗巴的探测——这些任务目前都正在实施或规划当中。在调查报告中，排名在探测天王星之后的提议，是一项耗资49亿美元的任务，探索目标是土星的一颗小卫星，土卫二。在土卫二表面冰盖的裂缝中，富含有机物的水柱喷涌而出——这种现成的样本可能会告诉我们，土卫二上存在含有微生物的地下海洋。“土卫二可能是目前寻找地外生命存在证据的最佳地点。”亚利桑那州立大学的行星科学家、另一位联合主席菲利普·克里斯滕森（Philip Christensen）说。（在这一提议中，任务完成后项目组将在欧罗巴的表面放置一个着陆器，而在此之前，这个计划一直是作为首要任务而推进的。）

该报告还列举了一系列有竞争力的任务目标，它们被称作“新前沿”。其中一些项目，比如土星探测、彗星样本采集、月球地质网络等，在之前的调查报告中经常出现。另外一些项目则是全新的，例如：对谷神星，一颗小行星带中的富含水的矮行星进行采样；发射轨道飞行器和着陆器，对半人马小行星——一种位于木星和海王星之间、组成成分可反映早期太阳系情况的小天体——进行探测；探索土星卫星泰坦的轨道飞行器；用于金星探测的着陆器或气球；土卫二羽状物采样器，等等。（克里斯滕森指出，两个不同的任务均将目标设置为土卫二，这说明了这颗卫星的重要性。）

专家组建议，美国宇航局应当继续致力于探索月球和火星。在美国的火星样本采集任务完成之后，专家组希望可以开发一个价值11亿美元的机器人着陆器，称为火星生命探索者，它将在中纬度的冰层中钻透2米深的距离。

至于月球探测，专家组支持由美国宇航局载人航天部门资助的阿尔忒弥斯计划，该计划的目标是再次派遣宇航员前往月球表面。科研人员希望这一计划可以体现科学的前瞻性，而不是在结束后再去人为地赋予一些意义。“这个项目的成果不会仅仅是旗帜和脚印。”报告的起草人之一、加州理工学院的行星科学家贝瑟尼·埃尔曼（Bethany Ehlmann）说。根据报告内容，宇航局需要建造一个价值15亿美元的大型长航程机器人漫游车，称为 Endurance-A，它可以前行1 000公里，钻取100公斤的样本，并将它们送回至宇航员处，最终带回地球上的实验室。

这些雄心壮志使得美国宇航局的行星科学预算极度紧张，现在已经达到了每年31亿美元——这是自20世纪70年代海盗号火星任务以来的最高年预算。火星样本采集任务将取回之前毅力号火星车收集的岩石，这一任务耗资超过70亿美元，并会在未来的几年里消耗四分之一的行星科学预算。欧罗巴快船探测器预计于2024年发射，之后将会飞掠月球近50次，其成本已从42.5亿美元增长到50亿美元。由于一些有竞争力的任务目的地偏远，所需的时间很长，它们的预算都增加了一倍以上，超过了之前的支出限制。

预算超支导致美国宇航局推迟了一些项目。比如雄心勃勃的“蜻蜓”任务，目标是土星富含甲烷的卫星土卫六，它的探测器发射时间将由2025年推迟至2027年。下一个新前沿项目的确立预计也会推迟数年。为了阻止这样的恶性循环，美国宇航局迫切需要面对现实，将新前沿项目和发现项目这两条处于竞争关系的任务线的成本上限分别提高到16.5亿美元和8亿美元，同时还要强调，这些任务应当充分考虑时间成本。通过这些措施，美国宇航局在未来的十年里可以选择五项发现任务，但只能确定一项新前沿任务。

土卫二，土星的一个冰冷的卫星，正在向太空喷射盐水。在十年调查中，土卫二的探测计划排名第二

报告强调，尽管为了完成大型任务，行星科学预算已经增加，但推进相关工作的科学家们并没有得到增长的收益。过去十年，用于资助研究的预算份额已从2010年的14%降至了7.7%。虽然有更多的女性进入了该领域工作，但少数种族的族裔群体，尤其是拉丁裔和黑人科学家，分别仅占总劳动力的5%和1%。“我们尚有不少人才亟待发掘，并且已经错过了许多优秀的人才和杰出的想法。”卡努普说。报告建议，应当对科研人口进行更详尽的统计，并进一步支持少数种族学生的博士项目。现在涉足该领域的学生可能将会在未来成为探测天王星任务的中坚力量。

1986年，旅行者2号探测器飞越天王星，人类首次近距离观测到了这颗冰巨星。这次观测令许多科学家将冰巨星的存在视为一种异常现象：这是发育不全的气态巨行星在演化停止之前的状态，它仅含有几个地球质量的氢和氦，其形成原因要么是因为缺乏气体，要么是因为成型时间较晚。但是，加州大学圣克鲁斯分校的行星科学家乔纳森·福特尼（Jonathan Fortney）说，在旅行者2号之后，天文学家已经在其他恒星周围发现了数千颗行星，其中有许多与天王星大小相仿。“大自然很喜欢制造这种大小的行星。”

天王星具有独特的魅力。它的自转轴几乎是水平的——这可能是早期的一次巨大撞击导致的结果。与其他行星相比，天王星的温度极低，这表明它要么冷却得很快，要么它的大气可以有效阻止热量交换。它的外围有两组环，还有一系列密集的原始卫星和各种奇怪的小天体，它们可能是被捕获的彗星，或是来自海王星外侧的柯伊伯带区域的天体。“有些小天体的内部可能仍然有水。”约翰霍普金斯大学应用物理实验室的行星科学家柯比·鲁尼恩（Kirby Runyon）说。

然而，说到海洋存在的可能性，这些天体远远比不上直径仅为504公里的土卫二。2005年，美国宇航局的卡西尼号宇宙飞船发现了从土卫二冰冷表面上的裂缝中喷出的羽状盐水流。对盐水流的探测显示，其中含有生命诞生所必需的大量有机分子，以及二氧化硅和氢气。这表明冰层下的海洋深处可能有热液喷口，这是微生物的潜在能源。

之后，“土卫二绕落器”任务得到了批准。该任务将对羽状水流进行采样并在卫星表面展开几年时间的调查，然后转向卫星侧面，在引力较弱且没有明显大气层的地方着陆，这是一项相对容易的任务。探测器将会重点关注那些喷发的水流像雪一样落下的地方，利用仪器对其采样。这些仪器包括DNA测序仪和显微镜，二者将明确用于检测生命存在的痕迹。应用物理实验室的行星科学家香农·麦肯齐（Shannon MacKenzie）是相关研究的领导者，他认为，土卫二符合所有宜居性要求，因此，“下一个问题是：土卫二上有人居住吗？”

资料来源 Science