美宇航局规划2030年发射天王星或海王星探测器

来源:当代财经网时间:2017-06-21 15:24:48

美国宇航局正在规划未来15~20年开展天王星或海王星探测计划。左图为天王星,右图海王星

美国宇航局正在规划未来15~20年开展天王星或海王星探测计划。左图为天王星,右图海王星

模拟效果图:1989年美国宇航局旅行者-2号探测器抵达海王星,这是迄今人类对这颗星球的唯一一次探测

  模拟效果图:1989年美国宇航局旅行者-2号探测器抵达海王星,这是迄今人类对这颗星球的唯一一次探测

北京时间6月21日消息,海王星和天王星对于大部分人来说都是比较陌生的,即便它们是太阳系内两个非常巨大的天体。从科学探测上来说,历史上也只有一艘飞船从这两颗遥远行星附近飞过,我们对于它们的了解的确非常有限。现在,这种情况或许将在不久之后被改变:美国宇航局的一个小组正在评估一项探测计划的可行性,争取在不久的将来发射新的探测器前往开展考察行动。如果能够成行,毫无疑问将大大增加我们对于这两颗冰冻巨行星以及其他类似行星的了解。

美国宇航局“冰巨星十年预研计划组”合作主管艾米·西蒙(Amy Simon)表示:“理想中的探测模式是发射一艘轨道器,并携带释放进入天王星或海王星大气层的探测器,这将产出最高的科学价值,并允许科学家对这两颗星球的各个方面开展详尽研究,包括它们的光环、卫星、大气层和磁场结构等等。”

目前台面上已经有4个不同的探测方案备选,其中三个是轨道器项目,一个则是飞掠天王星的项目,但它将携带窄角相机,用于拍摄高清图像,尤其是天王星的诸多卫星。同时它还将释放一台大气探测器进入天王星大气层,对其不同高度上的气体成分和元素含量进行测量。

一般来说,一艘轨道器必定要搭载窄角相机,多普勒成像仪以及磁强计这三种载荷。但是如果一艘轨道器能够携带多达15种载荷,那么肯定要增加等离子体探测仪,红外与紫外相机,尘埃颗粒探测器以及微波雷达等设备。

因此目前在考虑的轨道器方案中,有这么几种设想:要么发射一艘飞往天王星的轨道器,并携带一台能够冲入天王星大气层的小型探测器;要么让这艘飞船改去海王星,后面的设计不变;再或者就舍弃掉冲入大气层的小型探测器,这样可以腾出空间让轨道器母船可以安装多达15台不同的科学载荷。

狂暴的天气

前往天王星或海王星的探测计划的两个最重要的科学目标分别是:1)确定这些冰冻巨行星的组成成分;2)确定其内部结构以及不同元素丰度。

而其他科学目标中则还包括:对磁场的考察,气候与天气变化模式,卫星系统,并试图弄清海王星和天王星的光环为何与土星光环之间存在如此大的不同。而如果探测器最终确定的目标是海王星,那么还需要考虑对巨大的海卫一进行考察,因为它很有可能是被捕获的一颗大型柯伊伯带天体,旅行者-2号飞船在80年代飞掠海卫一的时候已经注意到其地表似乎存在某种“喷泉”以及非常稀薄的大气层。

美国加州大学圣克鲁兹分校的乔纳森·佛内(Jonathan Fortney)更支持让探测器飞往天王星,他说:“相比海王星,天王星拥有更大规模的卫星系统,这有可能是在环绕天王星周围的光环系统内形成的,就像木星和土星的光环系统的情况。这对于开展比较行星学研究是相当有利的,对于有机会能够更好地理解这些小型天体之间的差异性,我感到非常兴奋。”

可是,我们为什么要耗费巨资飞往这些遥远的冰冻巨星呢?要知道,在我们迄今发现的所有太阳系外行星中,海王星大小的行星数量是最多的。科学家们认为,理解海王星与天王星的形成机制将帮助我们了解不同冰冻巨行星之间的差异性,以及为何它们的数量如此之多。正如西蒙所言:“这些信息将帮助我们理解系外行星系统的形成机制。”

稍纵即逝的发射窗口

这样一次探测任务要想成行,还有一些时间点需要把握。从地球出发,探测器将在太空飞行至少14年时间才能抵达它的目的地,并且由于天王星和海王星所在的距离上过于遥远,不足以支持太阳能发电,因此飞船将需要携带核电源。美国宇航局难以采用使用钚-238为放射源的核电池,因为国际上数十年来对于钚-238的浓缩提炼一直有着严格的国际条约限制。一直到2013年,小规模的提纯工作才被允许进行。

如果我们运气足够好,那么我们将有希望在2034年发射海王星探测器。但如果由于各种原因美国宇航局未能在那一年发射探测器,那么接下来如果还想发射的话就要等上一段时间了。

美国宇航局喷气推进实验室(JPL)的专家马克·霍夫斯塔特(Mark Hofstadter)指出:“对于天王星,最好的发射窗口在2034年到2036年之间都存在。但是对于海王星,如果过了2030年,机会就会很少,因为再晚的话就很难利用木星进行引力弹弓进行借力飞行。一直要等到大约2041年左右,发射窗口才会再次打开。所以,如果真的想发射天王星探测器的话,最好现在就开始着手准备,而如果是海王星探测器,那么时间就更加紧迫了!”

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