三十年了NASA何时重返太阳系最边缘的这两颗神秘气态巨行星？_【微文阅读推荐】

【中文字幕】被海王星抢来的海卫一

天王星（左）与海王星（右），人类仅在30年前造访过它们，也是迄今唯一的一次，现在很多科学家认为是时候重返外太阳系去详细的认识它们。（腾讯太空配图）

腾讯太空讯（桂林）在行星科学里，我们将太阳系的四颗巨行星分为两个类别：一类是主要由氢和氦组成的气态巨行星，如木星与土星；另一类是主要由比氢和氦更重的气体组成的冰巨行星，如天王星与海王星。目前人类已完成多次对木星与土星的拜访，但远在太阳系最外围的天王星与海王星，迄今仅有旅行者2号各造访过一次，而且距离上次拜访已过去三十年，人类对这两颗冰冷星球依旧非常缺乏了解。

天王星绕太阳公转一圈需要84年，而海王星需要164年。（腾讯太空配图）

因为距离太阳非常遥远，它们与我们人类已经详细探测的其他六颗行星存在很多不同。这两颗巨行星绕太阳公转一圈需要很长时间：天王星需要84年，海王星则更久，需要164年，因此这两颗星球的季节变化非常缓慢，一个季节要持续几十年。在不久的未来，将有新探测器前往让人类了解更多这两颗星球的秘密。

1986年1月25日，旅行者2号在离开天王星前往海王星时，转身拍下了这张新月形的天王星。天王星呈现蓝绿色是因为大气中含有大量甲烷。（腾讯太空配图）

2016年恰好是旅行者2号造访天王星三十周年，1986年1月24日旅行者2号在距离天王星云顶81500公里处近距离飞过，并发现了10颗新的天王星卫星。随后不到四年的时间，旅行者2号在1989年8月25日近距离飞过海王星，这两次近距离飞掠使天王星与海王星不再是天文学家望远镜里的模糊蓝点。近些年，随着地球上更大更先进的设备启用，科学家获得了不少这两颗遥远行星的惊人信息。

2014年，夏威夷凯克天文台发现海王星大气层出现了新的风暴。（腾讯太空配图）

但因为实在太过遥远，在距离这两颗行星数十亿公里外的地球，我们对它们观测而得到的新发现是有限的，越来越多美国与欧洲的科学家认为是时候重新发射探测器前往这两颗行星了。而且不同于2015年新视野号对冥王星的快速飞掠，新的任务将是以环绕的方式对其进行长期探测。
2015年8月，美国宇航局行星科学部主任吉姆?格林(Jim Green)给了喷气推进实验室（JPL）工程师一年的时间，让他们去思考如何将一艘探测器送入环绕天王星或海王星运行的轨道。格林认为这两颗最外围的巨行星将是非常重要的科学前沿阵地，因为它们有太多未知等待人类去揭晓。重型火箭太空发射系统（SLS）的研制与越来越多太阳系外行星被发现，让我们更容易也更急迫前往这两颗行星，这是个让人激动的时刻，因为我们可以抵近去了解这两颗冰冷的星球。
当然，这两颗冰巨行星并非是完全冰封的冰球，它们同样也是气态行星。只是相比较木星与土星，天王星与海王星拥有更多比重的水、氨和甲烷，氢和氦的比重却相对较少，天文学家把这类行星称为冰巨行星。这是因为氢和氦沸点较低，气态巨行星大气层的氢和氦几乎都是以气态存在的；而水、氨和甲烷沸点相对较高，更易结冰。太阳系四颗巨行星的内核目前广泛的观点认为是较小的岩石核心。
从旅行者2号飞掠这两颗行星以来，这三十年，科学家已经对天王星与海王星有了更多了解。他们已经知道这两颗巨大行星在40亿年前就已迁徙到现在的轨道上，并利用自身引力将大量冰与岩石残骸扫出轨道形成了今天太阳系边缘的柯伊伯带，那里也是许多彗星的家。

在飞掠海王星三天后，旅行者2号转身拍下了这幅海王星与海卫一的新月图。（腾讯太空配图）

在1989年，旅行者2号飞掠海王星时，天文学仅知道太阳系拥有行星。随后，研究人员发现了近2000颗围绕其他恒星运转的行星。同时在开普勒太空望远镜发现的系外行星中，个头与天王星和海王星差不多大的行星占大多数，这意味着在银河系中，像天王星和海王星这样的冰巨行星可能是最常见类型的行星。
来自亚利桑那州图森行星科学研究所的科学家坎迪斯?汉森（Candice Hansen）介绍说：“我们才刚刚对太阳系后院的这两颗行星有所了解，就在其他恒星周围发现了一堆这种类型的行星。目前我们对天王星和海王星都只是初步的了解，该如何去解释围绕其他恒星运转的同类型行星？”
天王星与海王星是我们太阳系仅有的两颗在望远镜时代开始后新发现的行星，其他六颗行星在望远镜被发明前即被人类肉眼所确认。威廉?赫歇尔在1781年发现了天王星，天文学家约翰?格弗里恩?伽勒在1846年发现了海王星，而且海王星在被发现前，已经由数学家约翰?柯西?亚当斯与勒?维耶计算出轨道并预测其存在。
在旅行者2号抵达前，研究人员对这两颗行星了解的很少，但是这两颗行星的秘密却又密切关联。天王星距离太阳29亿千米，海王星距离太阳45亿千里，这恰好是大型望远镜能够直接观测的最边缘位置。
科学家已经了解了这两颗行星的一些特性：直径都约为地球直径的四倍，质量都约为地球质量的16倍。离太阳较近的天王星绕太阳一圈需84年，稍小的海王星则需要近两倍的时间。这两颗行星都有许多小型卫星环绕，并且都有一组暗淡的光环。
从太阳系早期开始，天王星就可能是最奇特的行星，它像在轨道上被撞翻在一侧，很可能是早期被一颗行星闯入撞击造成的，这也造成了天王星极端的季节，而且每个季节会持续几十年。基于在地球上的观测，天王星表面似乎很平静；而海王星则相反，表面反光的云层围绕着行星，似乎更愿意向外透露它的信息。

太阳系里最奇特的两颗卫星：天卫五（左）与海卫一（右）。天卫星拥有太阳系最高的悬崖，高达20千米；海卫一是太阳系最大的逆行卫星，它可能是冥王星的“表亲”。（腾讯太空配图）

近距离观测与亲自前往是深入了解这两颗行星的最好办法。当旅行者2号在1986年1月抵达天王星时，迎接它到来的是一颗平淡无奇的星球，海蓝宝石般的云层并不活跃，这让天王星有了“单调乏味的星球”绰号。但旅行者2号也探测到天王星拥有一个异常复杂的磁场，发现了天王星几个新环，并很好地观测了数颗冰冷卫星。这些卫星中最奇特的当属天卫五米兰达（Miranda），它像是曾被谁敲碎再仓促地粘合在一起。

1989年8月23日，旅行者2号发现海王星存在一块被白云围绕的“大黑斑”，这被认为是类似木星大红斑的大型风暴。“大黑斑”直径与地球相仿，1990年代哈勃望远镜再观测时，发现它已消失。（腾讯太空配图）

飞掠天王星三年零七个月后，旅行者2号抵达海王星北极，这是一个更加充满活力的行星。风暴搅动着宝蓝色大气，并存在类似木星大红斑的大暗斑。旅行者号观测到海王星云层上的风速达到2000千米/小时，这也是太阳系内最快的风速纪录。旅行者号也拜访了海王星最大的卫星海卫一特里同（Triton），冰火山在其坑洼的表面不断喷发，不断暗示海卫一地下仍有活跃的地质活动。
但是这两颗行星仍有很多未解之谜需要揭晓，这是在地球上无法做到的。虽然两颗行星核心都应该有一个溶融状态的核心，但是相比较更远的海王星，天王星放出的热量极少。这两颗行星的磁场也与众不同，与它们的自转轴相比较为倾斜，并偏离行星核心。天王星的卫星们有一半的面貌目前依旧是未知的。

旅行者姊妹号(VOYAGER)堪称人类太空探索史上的传奇。特别是旅行者2号，一次造访了四颗大行星。（腾讯太空配图）

旅行者号使用上世纪70年代的仪器完成了这两颗行星的造访，并极大拓展了天文学家的视野。旅行者1号和2号发射于1977年，这一年苹果公司的Apple II和雅达利2600游戏机也是首次发售，这是40年前的技术。如果现在将iPhone装上太空船并送到那里，我们将获得比40年前清晰多的图像。

2014年，夏威夷凯克天文台发现天王星的大气层正变得活跃。（腾讯太空配图）

从那以后，更先进的设备如夏威夷的凯克望远镜和低地球轨道上的哈勃太空望远镜取得了超越旅行者姊妹号的成就。它们观测到天王星南半球在2000年代中期由夏季往秋季过渡期间，出现了风暴并让大气层变得更像海王星，科学家此前认为天王星是个平淡无奇“无聊星球”的观点可能是不正确的。但是地球附近的先进望远镜有它的局限性，因为距离太远，获得的图像清晰度远远不够，要了解这两颗行星的物理与化学变化，我们只有前往那里。
在2010年，欧洲的科学家向欧空局（ESA）建议执行一次中等规模的天王星探测任务，发射一艘轨道器前往天王星执行环绕探测任务，这项任务将耗资5亿欧元（约36亿人民币）。不过它在2013年与一项耗资10亿欧元（72亿人民币）的大项目竞标失败，并在2014年的中型项目中再次落选。虽然欧空局每次都把探测天王星的项目放在优先位置，但最后总是不了了之。欧空局将在今年春天再次讨论一个新的中型探测任务，不过有关天王星的探测计划仍将很难获得通过。
这其中一大问题是欧空局没有可以使用的核电源，因为天王星距离太阳非常遥远，那里是无法使用太阳能作为能源。不过美国宇航局（NASA）已经开始重新生产核电池的重要原料钚-238，它可以应用在放射性同位素热电机（RTG）上，将钚-238在衰变时放出的热量转变成电能为探测器供电。因此如果能够获得美国宇航局的支持，那么欧空局的天王星任务将变得可行。
在2011年，美国的行星科学家们将火星、木卫二、天王星列为下个十年NASA优先考虑的旗舰项目，这类项目也是耗资最高的深空探测任务，而前往火星与木卫二的项目正在筹备中。今年9月，喷气推进实验室（JPL）将会给予美国宇航局有关冰巨行星旗舰探测任务的构思，包括宇航局为完成科学目标该投资在哪些项目上等细节。
至于具体哪些探测项目在科学任务上是必要的，这取决于探测器要造访哪一颗行星（天王星还是海王星），而且这两颗行星都非常吸引人。由于天王星像是被撞翻倾倒在轨道上，它的四季非常极端。天王星的两极会有持续42年的极昼和42年的极夜，这使得天王星成为了解行星如何运转的极好试验场，可以利用天王星这样躺在轨道上的星球验证行星科学的相关理论。
但另一方面，天王星有点太奇怪了，或许海王星是更好研究典型冰巨行星的目标，这对于理解绕其他恒星运转的行星非常重要。旅行者2号已为地球人展示了一个拥有活跃大气与风暴，提供很多迷人细节的行星。虽然天王星也开始变得活跃，但相比较海王星，它还是显得太平淡。

左图为地面望远镜2002年拍摄的天王星与它的卫星群；右图为海王星与它的卫星群，哈勃望远镜拍摄。（腾讯太空配图）

但是说起这两颗大行星的卫星，情况则相反。科学家笑称：如果去海王星，我们会看到一颗正常的行星和一群不太正常的卫星；但是去天王星，会看到一颗古怪的行星与一群正常的卫星。
天王星拥有5颗大卫星和22颗小型卫星，科学家认为这些卫星应该是与天王星同时形成的，因为这些卫星和天王星的光环、自转轴一样是倾斜在轨道上的。旅行者2号在飞掠时无法看到这些卫星另一半球的样子，整个天王星系统有一半的秘密依然未知，特别是这些卫星。
但是海王星拥有太阳系最大的逆行卫星--海卫一“特里同（Triton）”，它来自太阳系边缘，早期被海王星俘获成为卫星。海卫一是个迷人冰冷的世界，但又如同土卫二“恩克拉多斯（Enceladus）”一样拥有间歇喷发的冰火山，因此海卫一的冰层下可能拥有一个地下海洋。海卫一的表面在过去一千万年被活跃的地质活动不断重塑，这在地质史上是极短的时间，这暗示近期海卫一的地质活动相当剧烈。
海卫一绕海王星的运行轨道与海王星自转方向相反，因此它并不是与海王星一起形成的，科学家认为海卫一最早应该与冥王星一样，是在柯伊伯带形成的。海卫一与冥王星具有亲缘关系，它们也是科学研究的极好对照。
这两颗行星都充满着吸引人的谜团，选择前往其中任何一个都会让行星科学家们得到大量科学信息，大多数科学家都乐意去其中任何一个。但最终决定前往哪颗行星，会考虑到投入资金与所获得的科学价值，投入少而获得更多科学信息的那个会胜出。
前往这两颗行星是不易的，一艘探测器需要十多年的时间才能抵达。虽然有办法缩短行程时间，比如借助木星或土星的引力加速，但这需要这些行星在正确的时间处在正确的位置上。
世事皆平等，天王星距离我们更近，因此我们前往它更容易花费也更便宜；但是如果希望借助木星或土星的引力加速，海王星是更合适的那个。

美国宇航局将在2018年发射重型火箭SLS，它可以用不到十年的时间将探测器送抵天王星，这个时间比新视野号抵达冥王星还要短。（腾讯太空配图）
美国宇航局目前正在研发重型火箭--太空发射系统（SLS），它将于2018年首次升空。它将大幅缩短人类前往这两颗行星的时间。SLS将是有史以来最强大的火箭，它能将物体以非常快的速度送入太空。如果用SLS来发射探测器，它将仅需几年的时间即可抵达这两颗行星中的一颗。
缩短行星际巡航时间可以节省时间与资金，但是飞船飞的越快，它在抵达目标行星时需要减速的过程就越困难。探测器将不得不削减携带的仪器数量，以携带更多的燃料来减速。解决这个问题有个大胆的办法是依靠行星的大气来进行气动减速，探测器可以深入行星大气降低自己的速度，但同时需要预防巨大的大气摩擦将探测器摧毁。一些太空任务会使用更温和的方式返回地球，比如不断调整轨道多次进入大气层来降速，但至今没有过深空探测器使用过这种方法。
喷气推进实验室将在今年评估这些风险，并研究去每个行星的科学任务。这两个行星的探测任务任何一个都不能出差错，因为任何一个成功都将是革命性的改变人类对太阳系的认知。
新视野号造访冥王星就是很好的例子。在未抵达冥王星前，科学家们已经知道可能有什么新的发现在等待他们，但最终新视野号发回的惊人信息大大超过了他们的预期。冥王星探测任务让我们对太阳系边缘有了非常多的惊人发现，而现在太空探索的前沿正是这两颗冰巨行星：天王星和海王星。
科幻短片《太阳系漫游者(Wanderers)》中文字幕

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