第一次冰巨星專屬任務(wù)

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”，因為與氣態(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——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)院最近實施的一項調(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，從而激勵和教育幾代人。

每十年，美國宇航局都會要求美國國家科學(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。美國宇航局和美國國會視這些調(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，其中包括獨立評估的項目概念研究。如此巨大的投入對確保最后推薦的項目技術(shù)上可行、成本上符合實際至關(guān)重要。同時，調(diào)查結(jié)果也是一份共識報告，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，就不會產(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告之一，因為執(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都必須達(dá)成真正的共識。在長達(dá)一年的時間里，調(diào)查小組成員舉行了176次會議，仔細(xì)審查了500多份白皮書，深入研究了組外發(fā)言人在公開會議上發(fā)表的300多篇講話報告以尋求更多建議。這份調(diào)查的基礎(chǔ)是由12個優(yōu)先科學(xué)問題構(gòu)成的基本框架，其中每個問題都由單獨的章節(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)域的下一個旗艦任務(wù)，或者說大型任務(wù)。同時，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——這兩個任務(wù)現(xiàn)在已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展。《起源、世界和生命》重申了《遠(yuǎn)景與遠(yuǎn)航》中體現(xiàn)的群體共識，也即UOP應(yīng)該就是行星科學(xué)領(lǐng)域的下一個大項目。全系統(tǒng)科學(xué)的目標(biāo)是，大到整個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，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就有助于實現(xiàn)這個目標(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)。計算機模型預(yù)言了多種巨行星形成和遷移模式，至于其中哪個才是最準(zhǔn)確的，需要測量各個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，因為它揭示了地球氮的來源。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氣的原太陽星云氣體，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)計階段就包括了一個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還包括了一個為全系統(tǒng)科學(xué)設(shè)計的軌道器。天王星是一個包含諸多環(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地點測量天王星的風(fēng)和溫度，而軌道器則會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。甚至，這些衛(wèi)星中的一個或多個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)星的整個地表并成像，以尋找正在進(jìn)行的地質(zhì)活動，同時測量它們內(nèi)部的磁場是否因為液態(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散并失去銳利的邊緣。雖然旅行者2號發(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。要么存在大量因為太小而無法被旅行者2號探測到的小衛(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)粒子的運動并測量它們的組成。

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)時間至少為5年。

天王星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也是一個巨大的謎。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)識冰巨行星很重要，而且對認(rèn)識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，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——要么路上花費更多時間。《起源、世界和生命》撰寫小組的時間有限，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)計時就能根據(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)家團隊。

UOP的準(zhǔn)備工作已經(jīng)開始，重要的是要認(rèn)識到，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柯伊伯帶天體，被海王星的引力捕獲后才重構(gòu)了整個海王星衛(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。在這個十年中，探索海王星的技術(shù)開發(fā)和重點任務(wù)研究也應(yīng)該啟動，為近距離觀察這個同樣有趣的行星做好準(zhǔn)備。空間科學(xué)界為冰巨星探索任務(wù)已經(jīng)等待了30多年，這個大項目必然會使未來幾代人受益。

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，也是這一個十年調(diào)查《起源、世界和生命》中的巨行星小組成員。