跨學(xué)科合作有望揭開天王星系統(tǒng)的秘密。

天王星和海王星通常被稱作“冰巨星”，因?yàn)榕c氣態(tài)巨行星木星和土星相比，它們的組成中重元素占比更大。到目前為止，唯一訪問過天王星和海王星的航天器是在1986年和1989年先后短暫飛掠這兩顆行星的旅行者2號(hào)——那已經(jīng)是30多年前的事了。那次邂逅向世人展示了這兩個(gè)外太陽系行星的迷人景象，但產(chǎn)生的問題也遠(yuǎn)比此前人們想象的多。美國國家科學(xué)院、工程院和醫(yī)學(xué)院最近實(shí)施的一項(xiàng)調(diào)查確定，天王星軌道器和探測器（UOP）是美國宇航局下一階段大型任務(wù)中行星科學(xué)領(lǐng)域的首要課題。UOP將探索天王星是如何形成的，形成后遷移了多少，行星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、大氣、磁層、環(huán)系，以及天王星衛(wèi)星上是否存在或曾經(jīng)存在地下液態(tài)水海洋。這一任務(wù)將揭開外太陽系形成之初的歷史和奧秘，從而激勵(lì)和教育幾代人。

每十年，美國宇航局都會(huì)要求美國國家科學(xué)院對行星科學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行一次“十年調(diào)查”，以確定未來10年的優(yōu)先事項(xiàng)。美國宇航局和美國國會(huì)視這些調(diào)查為美國空間科學(xué)優(yōu)先研究方向的正式聲明。這些調(diào)查的執(zhí)行成本高達(dá)數(shù)百萬美元，其中包括獨(dú)立評估的項(xiàng)目概念研究。如此巨大的投入對確保最后推薦的項(xiàng)目技術(shù)上可行、成本上符合實(shí)際至關(guān)重要。同時(shí)，調(diào)查結(jié)果也是一份共識(shí)報(bào)告，代表了執(zhí)行調(diào)查并為白皮書打下基礎(chǔ)的這一群體的聲音。如果沒有調(diào)查過程，這個(gè)群體在與美國宇航局溝通交流未來最重要的優(yōu)先科學(xué)方向時(shí)，就不會(huì)產(chǎn)生多大影響力。

2022年發(fā)布的行星科學(xué)十年調(diào)查名為《起源、世界和生命》（Origins，Worlds，and Life ）。這份調(diào)查是迄今為止最不尋常的報(bào)告之一，因?yàn)閳?zhí)行調(diào)查是在新冠疫情期間。雖然在疫情大背景下許多參與調(diào)查的志愿者都做出了巨大犧牲，但他們都決心不論付出多大代價(jià)都必須達(dá)成真正的共識(shí)。在長達(dá)一年的時(shí)間里，調(diào)查小組成員舉行了176次會(huì)議，仔細(xì)審查了500多份白皮書，深入研究了組外發(fā)言人在公開會(huì)議上發(fā)表的300多篇講話報(bào)告以尋求更多建議。這份調(diào)查的基礎(chǔ)是由12個(gè)優(yōu)先科學(xué)問題構(gòu)成的基本框架，其中每個(gè)問題都由單獨(dú)的章節(jié)概述。通過這些章節(jié)的介紹，“對冰巨星了解的匱乏”被確定為未來十年中最應(yīng)該優(yōu)先解決的問題。

UOP就是解決這個(gè)問題的第一步。由于全系統(tǒng)科學(xué)的重要性，它也被推薦為行星科學(xué)領(lǐng)域的下一個(gè)旗艦任務(wù)，或者說大型任務(wù)。同時(shí)，這一建議也是過去20多年任務(wù)概念研究成果的集中體現(xiàn)。2003—2013年的十年調(diào)查《太陽系新前沿》（New Frontiers in the Solar System）中首次確定UOP為高優(yōu)先級。2013—2023年的十年調(diào)查《遠(yuǎn)景與遠(yuǎn)航》（Visions and Voyages）將它列為第三高優(yōu)先級，僅次于取回火星樣本和歐羅巴快船——這兩個(gè)任務(wù)現(xiàn)在已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展?！镀鹪?、世界和生命》重申了《遠(yuǎn)景與遠(yuǎn)航》中體現(xiàn)的群體共識(shí)，也即UOP應(yīng)該就是行星科學(xué)領(lǐng)域的下一個(gè)大項(xiàng)目。全系統(tǒng)科學(xué)的目標(biāo)是，大到整個(gè)太陽系的起源和演化，小到只在某顆神秘行星中存在的過程，我們都應(yīng)有全面、充分的認(rèn)識(shí)，最起碼要能以此為依據(jù)回答關(guān)于已知最常見類型系外行星（存在于太陽系之外的行星）的基本問題。而UOP就有助于實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。

了解巨行星形成以及形成后遷移的過程，對于許多行星科學(xué)問題都有非常普遍的意義，例如：解釋太陽系小天體的分布，水和其他生命必需元素如何通過這些小天體向內(nèi)太陽系輸送。有些問題甚至還可以延伸到太陽系之外，比如系外行星的形成及其系統(tǒng)架構(gòu)。通過聯(lián)系、比較當(dāng)前觀測結(jié)果和原太陽星云（由氣體、塵埃和冰組成的盤狀天體，太陽系正是由其演化而來）的各項(xiàng)條件，就能估測太陽系的形成和演化過程。因此，研究四顆太陽系巨行星（天王星、海王星、木星和土星）對重構(gòu)太陽系歷史至關(guān)重要。

巨行星是通過聚集原太陽星云的氣體和固體物質(zhì)形成的，形成后逐漸遷移到了當(dāng)前位置，接著通過冰質(zhì)星子和巖石星子的撞擊收集更多固體物質(zhì)。計(jì)算機(jī)模型預(yù)言了多種巨行星形成和遷移模式，至于其中哪個(gè)才是最準(zhǔn)確的，需要測量各個(gè)行星大氣中的同位素比和稀有氣體豐度，這就需要大氣探測器發(fā)揮作用了。

氮同位素比14N/15N是比較重要的同位素測量對象之一，因?yàn)樗沂玖说厍虻膩碓?。就目前來說，在4顆巨行星中，我們只能測得木星的氮同位素比，結(jié)果與太陽相似。這意味著，木星獲取氮的方式要么是通過加熱原太陽星云中的冰得到富含氮?dú)獾脑栃窃茪怏w，要么是通過極低溫條件下形成的含氮物質(zhì)。土星對流層中氮同位素比測量結(jié)果的下限表明那里的氮起源與木星類似，但還需要大氣探測器才能確認(rèn)土星大氣其余部分的氮同位素比也有這么高。目前，我們還從未測量冰巨星的氮同位素比。

較重的稀有氣體則為我們研究巨行星的形成和演化提供了另一個(gè)窗口。比較巨行星大氣中稀有氣體的豐度與原太陽星云中相應(yīng)固體物質(zhì)（也即如今的彗星和球粒隕石）的豐度，可以得到巖石物質(zhì)和冰物質(zhì)對巨行星形成的相對貢獻(xiàn)，并揭示這些固體物質(zhì)在原太陽星云中的分布。與同位素比一樣，目前我們也只能測得木星大氣中的稀有氣體豐度。結(jié)果表明，木星大氣中稀有氣體的來源也是富含相應(yīng)氣體的原太陽星云氣體，或是在極低溫條件下形成的固體物質(zhì)。毫無疑問，土星和冰巨星也需要類似的測量。為此，UOP任務(wù)在設(shè)計(jì)階段就包括了一個(gè)可以測量天王星稀有氣體豐度和氮同位素比的探測器。

此外，UOP還包括了一個(gè)為全系統(tǒng)科學(xué)設(shè)計(jì)的軌道器。天王星是一個(gè)包含諸多環(huán)和衛(wèi)星的特別有趣的系統(tǒng)，它在形成之初可能經(jīng)歷了一次巨大碰撞，以致自轉(zhuǎn)傾角高達(dá)98°，幾乎可以說“躺倒在地”。這么大的自轉(zhuǎn)傾角導(dǎo)致公轉(zhuǎn)周期84地球年的天王星大氣季節(jié)變化相當(dāng)極端，但從地球上觀測它的霧霾和云得到的信息不足以解釋它的大氣環(huán)流和風(fēng)型。為此，UOP攜帶的探測器將在某個(gè)地點(diǎn)測量天王星的風(fēng)和溫度，而軌道器則會(huì)對天王星展開全球觀測，以確定這種各部位差別如此之大的大氣是如何運(yùn)作的。

夏季，無論是在天王星的南半球還是北半球，都只能看到衛(wèi)星的一半，原因也是它極大的自轉(zhuǎn)傾角。例如，旅行者2號(hào)只能拍攝到天王星衛(wèi)星的南半球，但觀測到的景象出人意料。原本，我們認(rèn)為天王星五顆最大的衛(wèi)星都是冰冷、死寂的世界，但在旅行者2號(hào)拍攝的圖像中都出現(xiàn)了近期地表重塑的跡象，這表明上述衛(wèi)星上仍有地質(zhì)活動(dòng)。甚至，這些衛(wèi)星中的一個(gè)或多個(gè)在冰殼下可能存在適宜生命生存的液態(tài)水海洋，使它們成為“海洋世界”。天衛(wèi)一“艾瑞爾”是地表重塑程度最深的天王星衛(wèi)星，它與天王星最大的兩顆衛(wèi)星“泰坦尼婭”和“奧伯龍”一樣都很有可能擁有海洋。UOP將測量上述天王星衛(wèi)星的整個(gè)地表并成像，以尋找正在進(jìn)行的地質(zhì)活動(dòng)，同時(shí)測量它們內(nèi)部的磁場是否因?yàn)橐簯B(tài)水的存在而不斷變化。

擬議中的天王星軌道器和探測器將有助于確定天王星的形成過程、形成后的遷移過程——整個(gè)天王星系統(tǒng)包括它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、大氣、磁層和環(huán)系——以及天王星衛(wèi)星是否存在適宜生命生存的液態(tài)水海洋。

天王星有九個(gè)密度非常高的窄環(huán)，它們必須與一群充當(dāng)“牧羊犬”的衛(wèi)星產(chǎn)生共振，才能避免迅速向外擴(kuò)散并失去銳利的邊緣。雖然旅行者2號(hào)發(fā)現(xiàn)了這些環(huán)與小衛(wèi)星科迪莉亞、奧菲莉亞和克雷西達(dá)的共振，但尚不足以解釋所有的環(huán)特征。要么存在大量因?yàn)樘《鵁o法被旅行者2號(hào)探測到的小衛(wèi)星，要么是天王星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也引發(fā)了共振。此外，天王星那幾個(gè)暗得出奇的環(huán)中的粒子，成分尚不清楚，但可以肯定與天王星衛(wèi)星的表面組成明顯不同。為此，UOP將尋找那些牧羊犬衛(wèi)星，監(jiān)測環(huán)粒子的運(yùn)動(dòng)并測量它們的組成。

天王星的磁層也很不尋常。它的磁場方向不僅與自轉(zhuǎn)軸呈60°角，而且也偏離行星中心。目前還不清楚這樣與眾不同的磁場是如何產(chǎn)生的，但磁場因素加上極端自轉(zhuǎn)傾角導(dǎo)致的巨大季節(jié)和晝夜變化很可能會(huì)對天王星的大氣層和衛(wèi)星產(chǎn)生影響。UOP將在任務(wù)期間監(jiān)測天王星磁層，按照十年調(diào)查《起源、世界和生命》的建議，持續(xù)時(shí)間至少為5年。

天王星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也是一個(gè)巨大的謎。另外，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，木星和土星這兩顆巨行星的核心并不是具有清晰邊界的固態(tài)，而是呈彌散狀態(tài)且會(huì)與大氣交換物質(zhì)。這一發(fā)現(xiàn)更是令天王星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)之謎更加引人注目。木星、土星核心部分的現(xiàn)狀可能是行星形成時(shí)留下的結(jié)果——在行星形成過程中，核心部分達(dá)到臨界質(zhì)量、蒸發(fā)，并產(chǎn)生成分梯度——也可能是核心侵蝕的結(jié)果，也即重元素在行星形成后溶解并侵蝕到大氣中。確定天王星的核心是固態(tài)還是彌散態(tài)，以及它主要由巖石構(gòu)成還是冰構(gòu)成，不僅對認(rèn)識(shí)冰巨行星很重要，而且對認(rèn)識(shí)類似大小的系外行星的起源和內(nèi)部結(jié)構(gòu)也很重要。為此，UOP將通過大氣探測器和軌道引力測量來確定天王星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

理想情況下，UOP的下一步應(yīng)該建立在過去的研究基礎(chǔ)上，特別是《起源、世界和生命》中提到的那些。這份十年調(diào)查建議，在2032年發(fā)射UOP，以便讓它利用木星的巨大引力獲得朝天王星飛行的額外速度。同時(shí)，這也能保證UOP在2050年天王星北半球秋分之前到達(dá)，以確保能觀測到完整的天王星衛(wèi)星。此外，還有一個(gè)額外的好處，按照《起源、世界和生命》中推薦的軌道，UOP將彈射到黃道上方，從而獲得太陽的極地視角——這是太陽物理學(xué)界鐘愛的視角，獲取此類視角后，便可以通過測量更好地了解天王星兩極和赤道之間的太陽風(fēng)差異。如果在2032年后發(fā)射，那么UOP的軌道無法利用木星引力但仍然可能在天王星北半球秋分之前抵達(dá)。然而，這意味著要么航天器尺寸、負(fù)載變小——也就是少帶些儀器——要么路上花費(fèi)更多時(shí)間?！镀鹪?、世界和生命》撰寫小組的時(shí)間有限，無法對數(shù)百萬條備選軌道詳細(xì)評估，因此有必要借助美國宇航局提供的備選發(fā)射年份縮小備選軌道范圍，從而加以完善并確定具體的航天器質(zhì)量限制。于是，UOP在設(shè)計(jì)時(shí)就能根據(jù)十年調(diào)查限定的質(zhì)量和儀器作優(yōu)化。評估UOP其他方面的貢獻(xiàn)也非常重要。歐洲空間局已經(jīng)針對冰巨星任務(wù)展開了幾項(xiàng)研究，并組建了一支準(zhǔn)備好作出必要科學(xué)、技術(shù)貢獻(xiàn)的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)。

UOP的準(zhǔn)備工作已經(jīng)開始，重要的是要認(rèn)識(shí)到，雖然海王星也是一顆冰巨星，但它的系統(tǒng)與天王星差異很大，有很多問題是UOP無法回答的。海王星的衛(wèi)星系統(tǒng)由海衛(wèi)一“特里同”主導(dǎo)。而特里同本來是一個(gè)柯伊伯帶天體，被海王星的引力捕獲后才重構(gòu)了整個(gè)海王星衛(wèi)星系統(tǒng)。此外，海王星和天王星的熱平衡差異也達(dá)到了一個(gè)數(shù)量級，意味著這兩顆冰巨星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可能有實(shí)質(zhì)性差異。由于海王星距太陽更遠(yuǎn)，所以更難前往，探測難度更高。在這個(gè)十年中，探索海王星的技術(shù)開發(fā)和重點(diǎn)任務(wù)研究也應(yīng)該啟動(dòng)，為近距離觀察這個(gè)同樣有趣的行星做好準(zhǔn)備?？臻g科學(xué)界為冰巨星探索任務(wù)已經(jīng)等待了30多年，這個(gè)大項(xiàng)目必然會(huì)使未來幾代人受益。

資料來源 Science

本文作者凱斯琳 · 曼特（Kathleen Mandt）是一位行星科學(xué)家，是上一個(gè)十年調(diào)查《遠(yuǎn)景與遠(yuǎn)航》中的冰巨星科學(xué)定義小組成員，也是這一個(gè)十年調(diào)查《起源、世界和生命》中的巨行星小組成員。