美宇航局拟在本世纪30年代发射天王星或海王星探测器

左为天王星，右为海王星

凤凰科技讯 据《新科学家》杂志网站北京时间6月21日报道，海王星和天王星从未引起过人类的太多关注，从太空探测史上看，也只有一艘飞船从这两颗遥远行星附近飞过。但这种情况可能会发生改变：美国宇航局一个小组已经提出了天王星或海王星探索计划，打算向这两颗行星发射探测器，收集有关其物理化学构成的数据。如果发射成功，这种任务将帮助我们对这两颗冰冻巨行星以及其他类似行星有更多的了解。

具有极高的科学价值

美国宇航局“冰巨星十年预研计划组”（Ice Giants Pre-Decadal Study group）联合组长艾米·西蒙（Amy Simon）表示：“首选任务方案是发射一枚轨道器，对天王星或海王星的大气构成进行探测，这将带来最高的科学价值，让科学家对这两颗星球的方方面面展开详尽研究，包括它们的光环、卫星、大气和磁场结构等等。”

该小组目前提出了4个不同的备选方案，其中三个是轨道器项目，一个则是飞掠天王星的项目，最后一个项目将携带窄角相机，用于拍摄高清图像，尤其是拍摄天王星的卫星。此外，它还将释放一台大气探测器进入天王星大气层，对气体成分和重元素含量进行测量。

轨道器发射任务一定会携带窄角相机、多普勒成像仪以及磁强计这三种科学仪器。如果轨道器能够携带多达15种科学仪器的话，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。

在轨道器发射任务中，目前有两种备选方案：一是发射一艘飞往海王星的轨道器，并携带一台能够冲入海王星大气层的小型探测器；二是让这艘飞船改去天王星，设计方案不变，但舍弃掉冲入大气层的小型探测器，这样就能让轨道器母船安装多达15台不同的科学仪器。

恶劣的天气状况

这种探测任务最重要的两个科学目标是，一是确定这些冰冻巨行星的成分；二是确定其内部结构以及不同元素丰度。

其他目标还包括：对磁场、气候与天气进行研究；对海王星和天王星的卫星进行深入研究；弄清楚海王星和天王星的光环为何与土星光环之间的不同。如果探测器最终确定的目标是海王星，那么还需要对其最大的卫星“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，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·福特尼（Jonathan Fortney）更支持让探测器飞往天王星：“相比海王星，天王星拥有更大规模的卫星系统，这些卫星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。这种数据对于开展比较行星学研究是非常有帮助的，由于有机会更好地理解这些小型天体之间的差异性，所以我感到非常兴奋。”

科学家为什么要探索这些遥远的冰冻巨星呢？答案就是，在我们迄今发现的所有系外行星中，海王星大小的行星数量是最多的。西蒙表示，理解海王星与天王星的形成过程，有助于科学家了解冰冻巨行星之间的差异性，以及它们的数量为何如此之多。她说：“例如，这些信息将有助于我们了解系外行星系统的形成机制。”

面临诸多障碍

不过，这种探索任务也面临着诸多障碍。探测器要在太空飞行至少14年时间才能抵达目的地，原因就在于天王星或海王星距离太阳过于遥远，不足以进行太阳能发电，因此探测器就需要携带核电池。美国宇航局使用的钚-238原子电池存在供应短缺问题，因为数十年来国际上对钚-238的浓缩提炼有着严格的限制。从2013年开始，小规模的提炼工作才被再次允许进行。

如果运气足够好，我们将可以在2034年发射天王星探测器。但如果美国宇航局错过了那一发射窗口，就只能再等上一段时间了。

美国宇航局喷气推进实验室（JPL）的马克·霍夫斯塔特（Mark Hofstadter）说：“对于天王星探测器来说，理想的发射窗口介于2034年到2036年之间。至于海王星探测器，如果错过了2030年，以后的机会会更少，因为很难利用木星的引力进行借力飞行。你只好再等12年，在大约2041年左右的时候再次尝试发射。所以，如果想去探索天王星，现在就应该开始准备了，而要是开启海王星探索任务，时间就更加紧迫了。”（编译/清辰）