編譯 王曉濤

數(shù)十年來，天王星一直不像其他行星那樣引人注目。然而，根據(jù)一個(gè)行星科學(xué)小組的報(bào)告，天王星接下來將會(huì)成為美國宇航局的探索重點(diǎn)。這份報(bào)告出自民眾期待已久的“十年調(diào)查”計(jì)劃，美國宇航局正是通過這一預(yù)先設(shè)定的計(jì)劃向國會(huì)申請(qǐng)資助。如果科學(xué)家們?nèi)缭敢詢敚詈骄謱⒃?1世紀(jì)30年代初向天王星發(fā)射總價(jià)為42億美元的軌道飛行器和大氣探測器，目的是探索這顆冰巨星的組成結(jié)構(gòu)和形成原因。蘇黎世大學(xué)的行星科學(xué)家拉維特·赫勒德（Ravit Helled）是參與調(diào)查研究工作的130名科學(xué)家之一，根據(jù)他的描述，天王星及其鄰居海王星的大小介于巖石行星和氣態(tài)巨行星之間，“它們屬于一種我們知之甚少的獨(dú)特的行星類型”。

科研小組的聯(lián)合主席，美國西南研究院的行星科學(xué)家羅賓·卡努普（Robin Canup）指出，最終決定選擇天王星而不是海王星的想法可以稱作一種“天體機(jī)會(huì)主義”。如果在2031年或2032年用獵鷹重型火箭發(fā)射，軌道飛行器就可以利用木星的引力輔助航行，并在13年內(nèi)到達(dá)天王星。如果目標(biāo)是海王星，就會(huì)需要更長的時(shí)間?！斑@項(xiàng)任務(wù)在技術(shù)上已經(jīng)準(zhǔn)備就緒，”卡努普說，“我們希望立即展開行動(dòng)。”但是，任務(wù)能否順利實(shí)施還要看美國宇航局的預(yù)算是否會(huì)因新冠疫情和飆升的任務(wù)成本而受到限制。

1986年，旅行者2號(hào)探測器掠過。自此之后，人類再也沒有近距離探索過這顆行星

現(xiàn)在，太空探索的對(duì)象是時(shí)候輪到天王星了。2011年，在上一份十年調(diào)查的報(bào)告中，探索冰巨星的任務(wù)排在了第三位，排名更靠前的是從火星獲取巖石樣本的任務(wù)以及對(duì)木星的衛(wèi)星歐羅巴的探測——這些任務(wù)目前都正在實(shí)施或規(guī)劃當(dāng)中。在調(diào)查報(bào)告中，排名在探測天王星之后的提議，是一項(xiàng)耗資49億美元的任務(wù)，探索目標(biāo)是土星的一顆小衛(wèi)星，土衛(wèi)二。在土衛(wèi)二表面冰蓋的裂縫中，富含有機(jī)物的水柱噴涌而出——這種現(xiàn)成的樣本可能會(huì)告訴我們，土衛(wèi)二上存在含有微生物的地下海洋?！巴列l(wèi)二可能是目前尋找地外生命存在證據(jù)的最佳地點(diǎn)。”亞利桑那州立大學(xué)的行星科學(xué)家、另一位聯(lián)合主席菲利普·克里斯滕森（Philip Christensen）說。（在這一提議中，任務(wù)完成后項(xiàng)目組將在歐羅巴的表面放置一個(gè)著陸器，而在此之前，這個(gè)計(jì)劃一直是作為首要任務(wù)而推進(jìn)的。）

該報(bào)告還列舉了一系列有競爭力的任務(wù)目標(biāo)，它們被稱作“新前沿”。其中一些項(xiàng)目，比如土星探測、彗星樣本采集、月球地質(zhì)網(wǎng)絡(luò)等，在之前的調(diào)查報(bào)告中經(jīng)常出現(xiàn)。另外一些項(xiàng)目則是全新的，例如：對(duì)谷神星，一顆小行星帶中的富含水的矮行星進(jìn)行采樣；發(fā)射軌道飛行器和著陸器，對(duì)半人馬小行星——一種位于木星和海王星之間、組成成分可反映早期太陽系情況的小天體——進(jìn)行探測；探索土星衛(wèi)星泰坦的軌道飛行器；用于金星探測的著陸器或氣球；土衛(wèi)二羽狀物采樣器，等等。（克里斯滕森指出，兩個(gè)不同的任務(wù)均將目標(biāo)設(shè)置為土衛(wèi)二，這說明了這顆衛(wèi)星的重要性。）

專家組建議，美國宇航局應(yīng)當(dāng)繼續(xù)致力于探索月球和火星。在美國的火星樣本采集任務(wù)完成之后，專家組希望可以開發(fā)一個(gè)價(jià)值11億美元的機(jī)器人著陸器，稱為火星生命探索者，它將在中緯度的冰層中鉆透2米深的距離。

至于月球探測，專家組支持由美國宇航局載人航天部門資助的阿爾忒彌斯計(jì)劃，該計(jì)劃的目標(biāo)是再次派遣宇航員前往月球表面。科研人員希望這一計(jì)劃可以體現(xiàn)科學(xué)的前瞻性，而不是在結(jié)束后再去人為地賦予一些意義?！斑@個(gè)項(xiàng)目的成果不會(huì)僅僅是旗幟和腳印?！眻?bào)告的起草人之一、加州理工學(xué)院的行星科學(xué)家貝瑟尼·埃爾曼（Bethany Ehlmann）說。根據(jù)報(bào)告內(nèi)容，宇航局需要建造一個(gè)價(jià)值15億美元的大型長航程機(jī)器人漫游車，稱為 Endurance-A，它可以前行1 000公里，鉆取100公斤的樣本，并將它們送回至宇航員處，最終帶回地球上的實(shí)驗(yàn)室。

這些雄心壯志使得美國宇航局的行星科學(xué)預(yù)算極度緊張，現(xiàn)在已經(jīng)達(dá)到了每年31億美元——這是自20世紀(jì)70年代海盜號(hào)火星任務(wù)以來的最高年預(yù)算?；鹦菢颖静杉蝿?wù)將取回之前毅力號(hào)火星車收集的巖石，這一任務(wù)耗資超過70億美元，并會(huì)在未來的幾年里消耗四分之一的行星科學(xué)預(yù)算。歐羅巴快船探測器預(yù)計(jì)于2024年發(fā)射，之后將會(huì)飛掠月球近50次，其成本已從42.5億美元增長到50億美元。由于一些有競爭力的任務(wù)目的地偏遠(yuǎn)，所需的時(shí)間很長，它們的預(yù)算都增加了一倍以上，超過了之前的支出限制。

預(yù)算超支導(dǎo)致美國宇航局推遲了一些項(xiàng)目。比如雄心勃勃的“蜻蜓”任務(wù)，目標(biāo)是土星富含甲烷的衛(wèi)星土衛(wèi)六，它的探測器發(fā)射時(shí)間將由2025年推遲至2027年。下一個(gè)新前沿項(xiàng)目的確立預(yù)計(jì)也會(huì)推遲數(shù)年。為了阻止這樣的惡性循環(huán)，美國宇航局迫切需要面對(duì)現(xiàn)實(shí)，將新前沿項(xiàng)目和發(fā)現(xiàn)項(xiàng)目這兩條處于競爭關(guān)系的任務(wù)線的成本上限分別提高到16.5億美元和8億美元，同時(shí)還要強(qiáng)調(diào)，這些任務(wù)應(yīng)當(dāng)充分考慮時(shí)間成本。通過這些措施，美國宇航局在未來的十年里可以選擇五項(xiàng)發(fā)現(xiàn)任務(wù)，但只能確定一項(xiàng)新前沿任務(wù)。

土衛(wèi)二，土星的一個(gè)冰冷的衛(wèi)星，正在向太空噴射鹽水。在十年調(diào)查中，土衛(wèi)二的探測計(jì)劃排名第二

報(bào)告強(qiáng)調(diào)，盡管為了完成大型任務(wù)，行星科學(xué)預(yù)算已經(jīng)增加，但推進(jìn)相關(guān)工作的科學(xué)家們并沒有得到增長的收益。過去十年，用于資助研究的預(yù)算份額已從2010年的14%降至了7.7%。雖然有更多的女性進(jìn)入了該領(lǐng)域工作，但少數(shù)種族的族裔群體，尤其是拉丁裔和黑人科學(xué)家，分別僅占總勞動(dòng)力的5%和1%。“我們尚有不少人才亟待發(fā)掘，并且已經(jīng)錯(cuò)過了許多優(yōu)秀的人才和杰出的想法?！笨ㄅ照f。報(bào)告建議，應(yīng)當(dāng)對(duì)科研人口進(jìn)行更詳盡的統(tǒng)計(jì)，并進(jìn)一步支持少數(shù)種族學(xué)生的博士項(xiàng)目?，F(xiàn)在涉足該領(lǐng)域的學(xué)生可能將會(huì)在未來成為探測天王星任務(wù)的中堅(jiān)力量。

1986年，旅行者2號(hào)探測器飛越天王星，人類首次近距離觀測到了這顆冰巨星。這次觀測令許多科學(xué)家將冰巨星的存在視為一種異?，F(xiàn)象：這是發(fā)育不全的氣態(tài)巨行星在演化停止之前的狀態(tài)，它僅含有幾個(gè)地球質(zhì)量的氫和氦，其形成原因要么是因?yàn)槿狈怏w，要么是因?yàn)槌尚蜁r(shí)間較晚。但是，加州大學(xué)圣克魯斯分校的行星科學(xué)家喬納森·福特尼（Jonathan Fortney）說，在旅行者2號(hào)之后，天文學(xué)家已經(jīng)在其他恒星周圍發(fā)現(xiàn)了數(shù)千顆行星，其中有許多與天王星大小相仿?！按笞匀缓芟矚g制造這種大小的行星?！?/p>

天王星具有獨(dú)特的魅力。它的自轉(zhuǎn)軸幾乎是水平的——這可能是早期的一次巨大撞擊導(dǎo)致的結(jié)果。與其他行星相比，天王星的溫度極低，這表明它要么冷卻得很快，要么它的大氣可以有效阻止熱量交換。它的外圍有兩組環(huán)，還有一系列密集的原始衛(wèi)星和各種奇怪的小天體，它們可能是被捕獲的彗星，或是來自海王星外側(cè)的柯伊伯帶區(qū)域的天體?！坝行┬√祗w的內(nèi)部可能仍然有水?！奔s翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室的行星科學(xué)家柯比·魯尼恩（Kirby Runyon）說。

然而，說到海洋存在的可能性，這些天體遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上直徑僅為504公里的土衛(wèi)二。2005年，美國宇航局的卡西尼號(hào)宇宙飛船發(fā)現(xiàn)了從土衛(wèi)二冰冷表面上的裂縫中噴出的羽狀鹽水流。對(duì)鹽水流的探測顯示，其中含有生命誕生所必需的大量有機(jī)分子，以及二氧化硅和氫氣。這表明冰層下的海洋深處可能有熱液噴口，這是微生物的潛在能源。

之后，“土衛(wèi)二繞落器”任務(wù)得到了批準(zhǔn)。該任務(wù)將對(duì)羽狀水流進(jìn)行采樣并在衛(wèi)星表面展開幾年時(shí)間的調(diào)查，然后轉(zhuǎn)向衛(wèi)星側(cè)面，在引力較弱且沒有明顯大氣層的地方著陸，這是一項(xiàng)相對(duì)容易的任務(wù)。探測器將會(huì)重點(diǎn)關(guān)注那些噴發(fā)的水流像雪一樣落下的地方，利用儀器對(duì)其采樣。這些儀器包括DNA測序儀和顯微鏡，二者將明確用于檢測生命存在的痕跡。應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室的行星科學(xué)家香農(nóng)·麥肯齊（Shannon MacKenzie）是相關(guān)研究的領(lǐng)導(dǎo)者，他認(rèn)為，土衛(wèi)二符合所有宜居性要求，因此，“下一個(gè)問題是：土衛(wèi)二上有人居住嗎？”

資料來源 Science