探索天王星:美國天文學“十年計劃”公佈最新旗艦任務

2022年04月20日20:13

來源:澎湃新聞

當地時間4月19日,美國國家科學院、工程院和醫學院發佈2023年至2032年美國行星科學和天體生物學“十年計劃”,建議NASA展開對天王星及其衛星的研究,並將其列為“最高優先級的新旗艦任務”(the highest-priority new Flagship mission)。

2023年至2032年美國行星科學和天體生物學“十年計劃”,圖片來自美國國家科學院、工程院和醫學院

在前述計劃中,美國行星科學家小組提出天王星應該成為美國國家航空航天局(NASA)探索的重點。NASA將借助“十年計劃”向國會進行說明並尋求資助,如果該提議得以實現,NASA將在21世紀30年代初向天王星發射價值42億美元的軌道飛行器和大氣探測器,試圖瞭解這顆冰巨星的形成和組成。此前,僅有NASA發射的旅行者2號探測器(Voyager 2)於1986年飛掠過天王星。天王星與“鄰居”海王星的大小介於岩石行星(如地球)和氣態巨行星(如木星、土星)之間,“這代表了一種我們知之甚少的獨特行星類型,”蘇黎世大學行星科學家Ravit Helled說道,他是參與前述計劃報告的130位科學家之一。

太陽系中巨型天體的藝術呈現圖,圖片來自美國國家航空航天局(NASA)噴氣推進實驗室
太陽系中巨型天體的藝術呈現圖,圖片來自美國國家航空航天局(NASA)噴氣推進實驗室

天王星是第一顆通過望遠鏡發現的行星,由天文學家William Herschel於1781年發現,當時他認為這可能是一顆彗星或恒星。兩年後,基於天文學家Johann Elert Bode的觀察,天王星才被普遍認為是一顆行星。Herschel曾試圖用喬治三世國王名字來命名天王星,但並未成功。科學界更為接受Bode的建議,將其命名為天王星(Uranus),即古希臘的天空之神。此後,天王星被認為是太陽系八大行星之一。它作為太陽系由內向外的第七顆行星,其直徑在太陽系中排行第三,半徑為15759.2英里(約25362公里),比地球寬4倍。天王星與太陽的平均距離約為18億英里(約29億公里),即19.8個天文單位,一個天文單位(AU)指太陽到地球的平均距離。這意味著太陽光線從太陽到天王星需要2小時40分鍾。

用凱克望遠鏡自適應光學系統獲得的天王星兩個半球紅外復合圖像,圖片來自凱克天文台
用凱克望遠鏡自適應光學系統獲得的天王星兩個半球紅外復合圖像,圖片來自凱克天文台

由於與太陽距離較遠,天王星作為一顆冰巨星,非常寒冷多風,被13個微弱的光環和27顆已知衛星圍繞。它以接近90度的角度旋轉,是太陽系中唯一一個赤道與軌道幾乎成直角的行星。這種獨特的傾斜角度,讓天王星看起來像是一顆滾動的球繞著太陽旋轉,同時也導致了天王星上的極端季節。在每一個天王星年(約84個地球年)近四分之一時間里,太陽會直接照射在天王星兩極,天王星整個半球因此會進入長達21個地球年的黑暗冬季。據NASA介紹,天王星約在45億年前形成,當時引力將旋轉的氣體和塵埃吸引進來,形成了這顆冰巨星。和海王星一樣,天王星可能是在離太陽更近的地方形成的,並在大約40億年前才被移動到更遠的地方。這顆行星的大部分(80%及以上)質量是由“冰”,即水、甲烷和氨構成。它具有一個小岩石核心,核心附近的溫度高達9000華氏度(4982攝氏度)。天王星的大氣層主要由氫和氦,還有少量的甲烷、水和氨組成。正是甲烷賦予了天王星標誌性藍色,甲烷會吸收太陽光的紅色部分,從而呈現出藍綠色。

旅行者2號於1986年1月14日從大約780萬英里(約1270萬公里)距離拍攝的天王星圖像,圖片來自美國國家航空航天局(NASA)噴氣推進實驗室

科學家研究發現,天王星的環境並不適宜生命。這顆行星的溫度、壓力和成分特徵很可能過於極端與不穩定,生物體因此難以適應。此外,天王星有一個不尋常的、形狀不規則的磁層。磁場通常與行星的自轉方向一致,天王星的磁場卻是傾斜的。綜合前述特徵,天王星的內部低能量、活躍的大氣動力學和複雜的磁場都是目前需要探索的重要謎題。科學家曾推測,可能是太陽系形成期間的一次巨大撞擊導致了這座行星極端的軸向傾斜。而在旅行者2號飛掠天王星獲得的有限數據中,天王星的大型冰岩衛星顯示了出人意料的地質活動證據,預示著其衛星可能存在海洋。同時,旅行者2號在1986年飛過天王星時看到了一些離散的雲。最近的觀測顯示,天王星在接近春分時會表現出動態雲,包括光亮快速變化的特徵。

1986年1月24日旅行者2號飛掠天王星時拍攝的“月牙形”天王星圖像,圖片來自NASA噴氣推進實驗室、美國地質調查局

對此,“十年計劃”提出將天王星軌道飛行器和探測器(UOP)作為最高優先級的新旗艦任務,並最好於2023年至2032年啟動。UOP任務將提供一個大氣探測器,對天王星系統進行多年的軌道旅行,以加深人們對冰巨星的認識。其科學探索目標將涉及天王星的起源、內部與大氣構成、磁氣圈、衛星和光環。該任務可在現有的運載火箭上發射,最佳發射時機在2031年和2032年,並可利用木星引力輔助縮短髮射時間。作為該計劃報告的聯合主席,美國西南研究院的行星科學家Robin Canup表示,偏向研究天王星而不是海王星的決定可以歸結為“天體機會主義”。如果在2031年或2032年由獵鷹重型火箭發射任務,軌道器可以得到木星引力協助,13年後到達天王星,如果選擇海王星,則需要更長時間。“這項任務(UOP)在技術上已經做好了準備,”Canup說道,“我們提議立即開始。”但能否實現這一目標,取決於NASA能否製定出受到疫情和任務成本飆升影響的合理預算。對天王星的進一步研究還可能拓展人們對系外行星的認識。科學家認為,圍繞著天王星的兩組光環、密集排列的衛星和一些奇怪的物體,可能是來自海王星之外被稱為柯伊伯帶區域的彗星或物體。

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