借助木星引力彈弓，向天王星發(fā)射超10億美元的宇宙飛船！

關(guān)于天王星，你知道最有趣的是什么？天王星旋轉(zhuǎn)軸與太陽系中所有其他行星完全不一致？天王星的磁層不對稱，相對于它的旋轉(zhuǎn)軸明顯傾斜，并且明顯偏離行星中心？或天王星的衛(wèi)星都是以莎士比亞和亞歷山大·蒲柏的人物命名？所有這些事實(shí)（文學(xué)參考文獻(xiàn)除外）都來自非常有限的數(shù)據(jù)集。一些最好的數(shù)據(jù)是在1986年旅行者2號飛越時(shí)收集的。從那時(shí)起，唯一的新數(shù)據(jù)來自于望遠(yuǎn)鏡。

雖然天文望遠(yuǎn)鏡的分辨率一直在穩(wěn)步提高，但只能觸及距離最近的冰巨星周圍系統(tǒng)中可能潛藏東西的表面。這種情況即將改變，因?yàn)橐粋€(gè)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)發(fā)布了一份白皮書，倡導(dǎo)一艘新的旗艦級宇宙飛船進(jìn)行訪問。由SETI研究所的研究科學(xué)家Richard Cartwright博士和SETI和NASA Ames研究中心的科學(xué)家Chloe B Beddingfield博士帶頭發(fā)表，收集了100多名合著者來支持這篇論文。這份白皮書提出了一個(gè)旗艦級的任務(wù)，總成本超過10億美元。

研究小組建議，這項(xiàng)任務(wù)應(yīng)該在未來十年內(nèi)設(shè)計(jì)和發(fā)射，以便使用木星每幾十年才能提供一次的引力加速，即我們俗稱的引力彈弓。引力彈弓有兩個(gè)主要的好處：其一是它將更快地將宇宙飛船送到天王星那里，允許宇宙飛船在電源耗盡之前花更多的時(shí)間實(shí)際進(jìn)行科學(xué)研究。此外，作為延長宇宙飛船任務(wù)的一部分，它可能會及時(shí)將航天器送到天王星系統(tǒng)，以便看到天王星的春分。

天王星的衛(wèi)星

監(jiān)測這一非常罕見的事件，將使科學(xué)團(tuán)隊(duì)能夠捕捉到更多到目前為止無法收集的獨(dú)特?cái)?shù)據(jù)。然而，科學(xué)團(tuán)隊(duì)感興趣的不僅僅是天王星本身，天王星的許多衛(wèi)星都是獨(dú)一無二的，值得仔細(xì)觀察。旅行者2號發(fā)現(xiàn)了10顆新衛(wèi)星，自那以后又發(fā)現(xiàn)了更多衛(wèi)星，使總數(shù)達(dá)到27顆，在太陽系中排名第三。這些衛(wèi)星被分為三個(gè)不同的類別：五個(gè)經(jīng)典衛(wèi)星，其中泰坦尼亞是最大的，九個(gè)不規(guī)則衛(wèi)星：

其軌道表明它們可能是從太陽系其他地方捕獲的天體，以及13個(gè)主要位于天王星環(huán)中的內(nèi)衛(wèi)星或環(huán)衛(wèi)星。經(jīng)典衛(wèi)星很可能是由巖石和水冰組成的，有可能成為海洋世界，在厚厚的冰層下有次表層海洋。這些次表層海洋可能會在經(jīng)典衛(wèi)星上引起構(gòu)造或低溫火山活動(dòng)。米蘭達(dá)(Miranda)和阿里爾(Ariel)這兩顆經(jīng)典衛(wèi)星表面似乎在相對較近的過去發(fā)生了變化(從地質(zhì)學(xué)上講)，這在一定程度上表明了這一點(diǎn)。

目前天王星衛(wèi)星表面的圖像分辨率相對較低，擬議宇宙飛船任務(wù)的主要目標(biāo)之一是拍攝更高分辨率衛(wèi)星表面圖像。隨著分辨率的提高，人們對這些衛(wèi)星上的地質(zhì)特征有了更好了解，包括隕石坑的數(shù)量，這可以作為表面年齡的替代。如果這些衛(wèi)星確實(shí)有地下海洋，它們將被添加到天體生物學(xué)家感興趣的世界名單中，這份名單還包括像恩克拉多斯這樣的衛(wèi)星，它與米蘭達(dá)有著驚人的相似之處。

新天王星探測飛船

但它并不是系統(tǒng)中唯一值得關(guān)注的有趣地方，天王星的環(huán)形衛(wèi)星之一MAB在一個(gè)彌漫的塵埃環(huán)內(nèi)運(yùn)行，可能是由從這個(gè)微小天體噴出的物質(zhì)支撐，這些物質(zhì)也可能最終落到鄰近的衛(wèi)星上。類似地，外衛(wèi)星泰坦尼亞和奧伯龍可能被天王星遙遠(yuǎn)的不規(guī)則衛(wèi)星落下的塵埃所覆蓋。天王星不同衛(wèi)星之間的這些動(dòng)態(tài)相互作用可以通過擬議的任務(wù)得到驗(yàn)證。為了驗(yàn)證衛(wèi)星之間的相互作用和行星系統(tǒng)許多其他錯(cuò)綜復(fù)雜的情況，探測任務(wù)將必須有一些先進(jìn)的儀器來收集所有這些數(shù)據(jù)。

飛往天王星的宇宙飛船探測器將有三個(gè)主要設(shè)備：可見光相機(jī)、磁力計(jì)和近紅外測繪光譜儀。如上所述，除了為地球科學(xué)家提供令人驚嘆的天王星行星系統(tǒng)照片外，可見光相機(jī)還可以用來提供物體表面的高分辨率圖像。它可以提供任何表面活動(dòng)的洞察，它將是觀察天王星本身季節(jié)性變化這一延長任務(wù)目標(biāo)的組成部分。磁力計(jì)將允許科學(xué)家近距離研究衛(wèi)星和天王星獨(dú)特磁場之間的相互作用。

磁力計(jì)可以通過識別來自這些衛(wèi)星內(nèi)部的感應(yīng)磁場，來搜索這些衛(wèi)星上的含鹽次表層海洋。伽利略磁力計(jì)使用這項(xiàng)技術(shù)在木星的大衛(wèi)星上搜索咸海。美國宇航局（NASA）噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)在開發(fā)了一種非常靈敏的磁力計(jì)，有可能在這次任務(wù)中發(fā)射。近紅外測繪光譜儀是任何現(xiàn)代空間科學(xué)任務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)儀器，也是了解天王星衛(wèi)星表面存在哪些分子的關(guān)鍵。特別是，它可以表征二氧化碳冰和含氨物質(zhì)，這是在天王星一些衛(wèi)星上探測到的分子。

揭開天王星的秘密

研究這些分子將使我們更好地了解這些衛(wèi)星的天體生物學(xué)潛力。當(dāng)被問及為什么向這個(gè)有著未知天體生物學(xué)潛力的外層冰巨星發(fā)送任務(wù)，可能比向其他有前途的天體生物學(xué)候選者發(fā)送任務(wù)更好地利用資金。首先，大體上關(guān)于天王星的數(shù)據(jù)非常少，而且大部分?jǐn)?shù)據(jù)都是在過去30多年里遠(yuǎn)程收集。對該系統(tǒng)的一次任務(wù)，目的是繞軌道運(yùn)行，將會成倍地增加我們對太陽系中研究最少的行星體之一的了解。

其次，通過一次天王星軌道飛行器任務(wù)，可以回答的問題數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了從一次旅行者號中收集的數(shù)據(jù)。在這個(gè)系統(tǒng)中有27個(gè)已知的天體需要研究，還有行星本身，天王星的環(huán)，以及它奇怪的地幔圈，也許還有更多的衛(wèi)星有待發(fā)現(xiàn)。一個(gè)軌道飛行器就能收集所有這些衛(wèi)星的數(shù)據(jù)。作為上一次十年研究的一部分，天王星系統(tǒng)的一項(xiàng)類似任務(wù)的優(yōu)先級排在第三位。它前面兩個(gè)任務(wù)是后來的“毅力號”火星探測器和歐羅巴快艇任務(wù)，這兩個(gè)任務(wù)都在推進(jìn)發(fā)展。

隨著天王星項(xiàng)目的下一步開啟，研究團(tuán)隊(duì)對這一概念將被選為下一項(xiàng)旗艦任務(wù)寄予厚望。如果它被“撿”起來，團(tuán)隊(duì)有一點(diǎn)時(shí)間在2030年到2034年之間達(dá)到利用木星“引力彈弓”效應(yīng)所需的窗口。在木星這個(gè)巨大氣體巨星的幫助下，該任務(wù)有望在本世紀(jì)40年代初至中期抵達(dá)天王星系統(tǒng)。

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博科園｜文：Andy Tomaswick/Universe Today

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