“行星連珠”機(jī)不可失 太陽系冰巨星備受關(guān)注

科學(xué)家對(duì)火星開展了長(zhǎng)期持續(xù)的探索，也向木星、土星、水星和金星分別派遣了多位“使者”，窺探到這些行星不少秘密，唯獨(dú)天王星和海王星，迄今只有“旅行者2號(hào)”探測(cè)器于上世紀(jì)80年代拜訪過。這兩顆藍(lán)色的冰巨星是太陽系中距離地球最遠(yuǎn)、人類探索最少也最神秘的行星。

現(xiàn)在，隨著一個(gè)罕見的“行星連珠”時(shí)刻日益接近，越來越多科學(xué)家提議向天王星或海王星派遣探測(cè)器。他們認(rèn)為，探索這兩顆冰巨星將帶來很多嶄新的研究領(lǐng)域，包括研究天王星的行星環(huán)、行星大氣層、行星的衛(wèi)星和海洋等，進(jìn)一步揭示太陽系邊緣隱藏的奧秘。

圖為天王星“證件照”。

太陽系的“藍(lán)色妖姬”

天王星是有著大理石紋的淡藍(lán)色星球，懸在黑暗冰冷的太空深處，距離太陽29億公里。和土星一樣，天王星也有行星環(huán)。而在距太陽45億公里的太空深處，棲息著海王星。

天文學(xué)家將天王星和海王星視為“雙胞胎”，因?yàn)樗鼈兊拇笮『唾|(zhì)量相似。但瑞士蘇黎世大學(xué)行星科學(xué)家拉維特·海勒德表示，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?nèi)绾涡纬伞?/p>

現(xiàn)有模型很難解釋這兩顆行星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，也無法闡釋為什么距太陽更遙遠(yuǎn)的海王星似乎比距離太陽更近的天王星更熱——“旅行者2號(hào)”提供的數(shù)據(jù)顯示，天王星表面溫度為零下224攝氏度，是太陽系中最冷的行星；而海王星表面溫度為零下214攝氏度。

海勒德說，每個(gè)人都認(rèn)為，這兩顆天體是由水或氨冰組成，“但真相如何仍是未知數(shù)”，需要派遣探測(cè)器前去一探究竟。

英國(guó)布里斯托大學(xué)系外行星科學(xué)家漢娜·威克福德表示，探索冰巨星的重大任務(wù)也將使系外行星研究受益。因?yàn)橐阎南低庑行侵校s40%跟冰巨星差不多大小，對(duì)太陽系內(nèi)這兩顆冰巨星的探索有助于我們進(jìn)一步了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。

拜訪這兩顆冰巨星中的任意一顆都會(huì)獲得豐碩成果。研究表明，雖然派遣一個(gè)探測(cè)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(xué)家認(rèn)為，應(yīng)該派遣探測(cè)器拜訪海王星，因?yàn)槠渥畲蟮男l(wèi)星海衛(wèi)一“特里同”(Triton)的地質(zhì)活動(dòng)很活躍，而且，或許擁有一個(gè)可能由液態(tài)水組成的地下海洋。

但NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室行星科學(xué)家馬克·霍夫施塔特認(rèn)為，天王星比海王星更奇特，因?yàn)樘焱跣堑拇艌?chǎng)相對(duì)于行星旋轉(zhuǎn)軸傾斜，這挑戰(zhàn)了現(xiàn)有科學(xué)模型。此外，天王星的發(fā)射窗口更晚一點(diǎn)，也使探索這顆行星更切合實(shí)際。

“行星連珠”的引力彈弓效應(yīng)

科學(xué)家們表示，除了海王星和天王星這對(duì)“藍(lán)色妖姬”本身充滿神秘誘惑之外，這兩顆行星和木星之間罕見的“行星連珠”現(xiàn)象將出現(xiàn)于本世紀(jì)30年代初。“行星連珠”是指行星都在太陽同一側(cè)且排列在一條直線上。

屆時(shí)，航天器可利用這一現(xiàn)象，在飛向行星的途中利用木星的引力彈弓效應(yīng)，縮短行進(jìn)時(shí)間，更快到達(dá)目的地。此外，利用引力彈弓效應(yīng)還可以減少探測(cè)器的燃料使用量，使飛船能攜帶全套科學(xué)儀器。

為利用這一罕見的時(shí)刻，前往海王星的探測(cè)器需要在2031年左右發(fā)射；而前往天王星的探測(cè)器則需要在本世紀(jì)30年代中期發(fā)射。

霍夫施塔特說，上述兩個(gè)時(shí)間段是“正確的發(fā)射時(shí)機(jī)，機(jī)不可失。”

錯(cuò)過機(jī)會(huì)將再等十年

盡管如此，很多人擔(dān)心時(shí)間來不及。對(duì)于NASA而言，此類耗資數(shù)十億美元的“旗艦”任務(wù)通常需要7—10年時(shí)間準(zhǔn)備，而NASA要根據(jù)將于2022年發(fā)布的《行星科學(xué)十年調(diào)查》中所確定的任務(wù)優(yōu)先級(jí)來考慮批準(zhǔn)哪些項(xiàng)目，前往海王星或天王星的任務(wù)將面臨從火星取回樣本或探索金星等提案的競(jìng)爭(zhēng)。

歐洲空間局(ESA)戰(zhàn)略、規(guī)劃和社團(tuán)協(xié)調(diào)負(fù)責(zé)人法比奧·法瓦塔表示，就太空而言，“就像要后天派遣探測(cè)器一樣”。ESA正在開展兩項(xiàng)重要任務(wù)，預(yù)計(jì)于本世紀(jì)30年代初發(fā)射。因此，“旅行者2050”(Voyage 2050)提議拜訪冰巨星，ESA也無法在此發(fā)射窗口發(fā)射探測(cè)器。“旅行者2050”是ESA下一個(gè)長(zhǎng)期空間探索計(jì)劃，所有被這個(gè)計(jì)劃選中的項(xiàng)目，會(huì)在2030年到2050年之間發(fā)射。

他補(bǔ)充說，作為備選方案，如果美國(guó)同意，ESA可參與NASA領(lǐng)導(dǎo)的任務(wù)。兩家機(jī)構(gòu)都可以發(fā)送更輕便、成本更低的任務(wù)，例如飛越其中一顆冰巨星。這也將為科學(xué)家提供有價(jià)值的數(shù)據(jù)，但無法提供科學(xué)家希望的全面數(shù)據(jù)。

如果錯(cuò)過了本世紀(jì)30年代的發(fā)射窗口，科學(xué)家們將不得不再等十年，等下一“行星連珠”現(xiàn)象出現(xiàn)，或者仰仗更強(qiáng)大的發(fā)射系統(tǒng)，例如NASA的“太空發(fā)射系統(tǒng)”(SLS)，但該技術(shù)目前仍處于研發(fā)階段。

英國(guó)萊斯特大學(xué)的行星科學(xué)家利·弗萊徹說，人類已對(duì)火星、金星、土星、木星等開展了較為深入的探索，但“天王星和海王星有其獨(dú)特之處，我們還沒有完成探索它們的第一階段”。

人類對(duì)冰巨星的每一次造訪都是進(jìn)入未知世界的遠(yuǎn)航，盡管探測(cè)器到達(dá)那里時(shí)會(huì)因?yàn)樗俣忍?，只能在行星范圍?nèi)停留數(shù)小時(shí)，但這數(shù)小時(shí)收集的數(shù)據(jù)，也讓我們開始了解那些隱藏在太陽系邊緣空間的秘密。

本報(bào)記者 劉 霞