威尼斯人巨型猎鹰将怎么着改造外太阳系空间研

作者:威尼斯人科学

结论

重型猎鹰火箭划算的发射费用,外加更快速抵达外太阳系的能力,将显著地改变我们在太空探索领域的行事方式。科学探索会成为大赢家!

很兴奋能够看到重型火箭重回航天市场。对于我们这些太空nerd来说,这真是个令人激动的时刻。(编辑:Steed)

每隔10年,NASA就会发布一份报告,称为《十年调查》,列出行星探测领域当前优先级别最高的项目。目前这个10年,从2013年涵盖到2022年,明确了3项最优先任务:火星采样返回、木卫二快帆,以及重返天王星或者海王星(天王星优先级更高,因为它与其他行星的排布方式更有利,可以节省飞行时间)。

美国航空航天局(NASA)的冥王星探测器“新视野号”(New Horizons)已经飞越了海王星的轨道。这是它在途中飞越的最后一座里程碑。它将继续前往冥王星,并于2015年7月14日近距离飞掠那颗遥远的星球,成为首个近距离飞临冥王星的人造物品。

威尼斯人 1月船2号将是印度首次尝试月面软着陆。图片来源:印度空间研究组织

环绕冰质巨行星——天王星和海王星

我们发射过环绕木星和土星这两颗气态巨行星的轨道探测器,而对于天王星和海王星这两颗冰质巨行星,却只发射过飞掠探测器。这个事实实在让人有一些灰心。对于这两颗冰质巨行星,还有太多的事情有待我们去了解。

天王星诡异的倾角和翻转的磁场,只是围绕在这颗行星周边诸多谜团中的一部分。

海王星也有诸多谜团,比如不完整的光环结构和令人惊讶的超强风暴。还有它最大的卫星——海卫一(Triton),正从它的冰火山喷射着含冰物质。

威尼斯人 2海王星上出现过令人惊讶的超级风暴。这张照片是旅行者2号在1989年拍摄的,这是迄今唯一一次近距离飞掠这颗行星。图片来源:维基百科

就像冥王星一样,重型猎鹰有能力发射轨道器前往天王星和海王星,对太阳系最外围的这两颗行星展开周密的研究。与冥王星相比,它们距离太阳还要更近一些,这意味着这些轨道器能够用相同的代价携带更高性能的设备。

研究天王星和海王星这样的冰质巨行星,意义不仅止于了解它们以及它们在太阳系里的角色。看看迄今我们发现的太阳系外行星的类型,你就会留意到,银河系里最常见的行星类型正是所谓的“迷你海王星”这一类。因此,更好地了解天王星和海王星,是我们了解银河系里最主要行星如何形成及演化的关键。而重型猎鹰让我们刚好能够做到这一点。

威尼斯人 3这张图显示了截至2016年5月10日,已知太阳系外行星按不同大小的统计数据。比天王星和海王星略小一些的所谓“迷你海王星”,是其中数量最多的一类行星。图片来源:维基百科

天然卫星

旅行者2号还拍到了天王星和海王星的几颗主要的天然卫星,但跟它们都只有“一面”之缘。

其中最有趣的一颗卫星,当数海卫一特里同(Triton)。海卫一被认为是海王星通过引力作用俘获来的一颗柯伊伯带天体。在俘获过程中,海卫一要么撞上了海王星的其他卫星,要么就把其他卫星彻底甩出了太阳系。

旅行者号发回的图像显示,海卫一的表面相对年轻,看起来像是哈密瓜的表皮,南半球还有喷泉在喷射氮气。

“再强调一次,”西蒙说,“我们只看到了海卫一的部分表面。谁知道另外一边有些什么?”

“有了海卫一,你可以拿它来跟冥王星作行星学对比。”哈梅尔说,“它们是柯伊伯带天体中大小相仿的一对,就像一出生就被分开的双胞胎,走上了完全不同的人生轨迹。”

而在另一方面,天王星拥有5颗较大的卫星:天卫五米兰达(Miranda)、天卫一艾瑞尔(Ariel)、天卫二乌姆柏里厄尔(Umbriel)、天卫三泰坦妮亚(Titania)和天卫四奥伯龙(Oberon)。跟海卫一不同,它们很可能是天王星系统的土著居民,这也使得它们成为了我们唯一的机会,去研究从冰质巨行星形成时期残留下来的较大星球。

这份新的报告没有对造访天王星还是海王星给出特别优先的选择。报道中写道,这两颗行星“作为科学目标来说都同样引人注目”。

“这两颗行星各自都有一些重要的东西,是另一颗行星无法告诉我们的。”哈梅尔说,“我认为,最终去哪颗行星的决定,大概要看到时候能够用哪种运载火箭发射,以及哪条路线最有利于让我们在合理的时间范围内抵达那些行星。从科学上来说,不管去哪颗行星,你的回报都将是异常丰厚的。”

威尼斯人 4这是哈勃空间望远镜拍摄的最为清晰的海王星照片之一,可以分辨出海王星上的大量云层特征,还能隐约分辨出海卫一表面反照率略有不同。图片来源:Hubble / Ted Stryk, Roane State CC

新视野号科学团队中有几位资深成员,1989年时参与过旅行者号的科学团队。许多人还记得,旅行者2号靠近海王星以及它那颗大到堪比行星的卫星海卫一(Triton)时,拍回的那些照片如何提升了人们对随之而来的发现狂潮的期许。如今,随着新视野号开始靠近冥王星,他们的心情也越来越激动,就像当年一样。

威尼斯人 5 NASA的TESS空间望远镜,将巡视全天搜寻太阳系外的行星。图片来源:NASA

更便宜,可复用

相对它的运载能力而言,重型猎鹰算是相当便宜了,这也是SpaceX公司最大的卖点。一次性使用、完全不回收的重型猎鹰,一次发射报价1.5亿美元。作为对比,联合发射同盟的德尔塔Ⅳ重型火箭只有不到一半的运载能力,发射报价却高达3.5亿美元。事实上,重型猎鹰还可以回收利用(如果发射较轻载荷的话),发射报价还可以大幅降低。可复用的重型猎鹰,发射报价是9000万美元。

威尼斯人 6重型猎鹰的两枚助推火箭,发射后垂直着陆在发射场附近的1号和2号着陆区。图片来源:SpaceX

正如美国行星学会指出的那样,猎鹰9号目前已经获得认证,只能发射预算相对较低的科学任务。不管是一次性使用还是允许回收复用,重型猎鹰火箭都能大幅度降低发射费用,并且缩短探测器抵达目的地所需的时间,将使得前往外太阳系的探测任务数量倍增。

威尼斯人 7这幅艺术画描述了1986年旅行者2号抵达天王星的场景。图片来源:NASA / JPL

与旅行者1号和2号的历史性观测类似,新视野号在探测冥王星之后,还将继续深入柯伊伯带(太阳系中由海王星轨道以外的冰质天体构成的一个盘状区域),以及太阳系外侧甚至太阳系以外的其他区域,去探索更多的未知。

威尼斯人 8冥王星探测器将飞抵小行星不死鸟。图片来源:NASA

威尼斯人 9重型猎鹰火箭首飞升空。图片来源:John Kraus

自那以后,我们再也没有回去过。

许多科学家觉得,1989年对海王星的飞掠(这也是旅行者号与行星的最后一次遭遇)可能已经给明年夏天即将到来的事件提供了一次预演。科学家提出,拥有冰封地表、明亮两极、多变地形甚至冰火山的海卫一,就是被海王星强拉入伙的一颗类冥王星天体。科学家最近复原了旅行者号拍摄的关于海卫一的影像,用它们给这颗古怪卫星构建出了迄今为止最好的全球彩色地图——对于明年近距离飞掠冥王星来说,这算是一道开胃菜。

以下,就按时间顺序,简单罗列2018年航天探索领域可能发生的大事件。

(艾麦乐 编译)2018年2月,SpaceX的重型猎鹰首飞成功,成为现役火箭中推力最大的一款。仅次于它的,是联合发射同盟的德尔塔Ⅳ重型火箭。而重型猎鹰能够发射到近地轨道的载荷重量,是德尔塔Ⅳ重型火箭的2倍以上。

(艾麦乐/译)如果你在百科全书或者搜索引擎上查过天王星和海王星,那么有很大的可能,你看到的照片快要有30年历史了。

“NASA的旅行者1号和2号完整探测了太阳系的中部区域,所有的巨行星都在这一区域围绕太阳运行,”新视野号探测器首席科学家、美国西南研究院的艾伦·斯特恩(Alan Stern)说,“现在,我们正站在旅行者号宽阔的肩膀上,要去探测更遥远和神秘的冥王星系统。”

3月,美国将用猎鹰9号火箭发射凌日系外行星巡天卫星(TESS)。这是一台专用的空间望远镜,能像开普勒空间望远镜一样监测恒星亮度的变化,从而发现太阳系外行星的踪迹。不同的是,开普勒望远镜只持续监测一小片天区,而TESS将用两年时间扫描全部天空。

探索木星和土星的卫星

木星和土星相对较近,意味着重型猎鹰能够发射更重的载荷前往这些目的地。好消息是,现在已经有两项木星卫星探测任务,计划在2020年代搭载其他火箭发射升空。

欧洲空间局的冰质木卫探测器(JUICE)将在2022年发射,它的首要目标是环绕并研究木星最大的卫星——木卫三(Ganymede),这是太阳系里唯一拥有磁场的卫星。NASA的欧罗巴快帆(Europa Clipper)则将证实木卫二(Europa)地表下可能存在的海洋,并评估海洋中存在生命的可能性。

威尼斯人 10NASA的欧罗巴快帆探测器,预计2022年发射。图片来源:NASA

重型猎鹰的运载能力可以用来提高这些任务的科学价值。重型猎鹰不只能够发射更加先进的轨道器,由于运载能力足够强大,它还能够搭载相当重的着陆探测器前往木卫二和木卫三。

发射一枚轨道器前往土卫二,这种可能性也相当诱人。土卫二上有喷泉在持续喷射,人们认为它的内部也有一大片液态水的海洋。因此,它被列为是外太阳系存在生命的头号备选之一,属于必须要被探索的星球。

冰质巨行星研究变迁

与行星科学研究早期相比,我们对天王星和海王星的认识,如同对大多数行星的认识一样,已经发生了巨大的变化。

在照相技术成为研究宇宙的常用工具之前,天文学家在寒冷而又漫长的夜晚必须猫在望远镜的目镜后面,用画笔描绘他们眼中看到的影像。

美国行星学会理事会成员海蒂‧哈梅尔(Heidi Hammel)对我说,在早期的一些天王星素描中,这颗行星的表面上描绘有清晰的大气特征。照相术的出现改变了这一点,这颗行星在照片上是一个毫无特征可言的浅绿色圆球。由此,天文学家提出过一个理论,认为离太阳越远的行星表现出来的大气活动越少。

凭直觉看,这个理论有点道理:木星有着清晰的云带和气旋,土星虽有风暴却温柔不少,天王星则几乎没有特征(海王星太远,当时还分辨不出什么细节)。

“旅行者号飞掠天王星的时候,传回的照片就好像在说,‘看吧,我们是对的。’”哈梅尔说,“照片上看不到云。天王星上一片空白,或许有10条丝丝缕缕像云一样的东西。”

在当时,人们预期海王星应该也同样单调乏味。然而,3年后,当旅行者2号抵达海王星时,情况并非如此。

“海王星让人们大吃了一惊。”她说,“那里有一个巨大的黑斑,大约有海王星大小的1/4——真正的庞然大物。而且,那里还有其他明亮的特征,还有第二块黑斑,还有各种各样的云。我是说,这颗行星刚好被风暴系统完全覆盖。”

那么,为什么天王星如此平淡无奇?这个问题在很长一段时间里无人问津,直到哈梅尔在一次学术会议上看到了一张海报,那是哈勃空间望远镜长时间曝光拍摄的天王星。这张照片,是为了搜寻天王星的新卫星而拍摄的,却在不经意间揭露了旅行者2号未曾在天王星上看见的一系列特征。

“我问,那是什么?”哈梅尔回忆道。海报的作者回答说,“喔,这是天王星。”

天王星,以躺在轨道上绕太阳旋转而闻名。在旅行者号飞掠它的时候,这颗行星正以极区对着太阳。自那时以来,天王星沿着它84年环绕太阳一圈的轨道,已经转到了太阳足以照亮更多赤道区域的位置上。这显然对这颗行星的大气产生了剧烈的影响,激活了一大堆气旋和风暴。

配备了自适应光学系统的地面望远镜所作的后续观测,继续揭露出了新的特征。至于早期拍摄的那些天王星照片,哈梅尔说,地球大气层带来的失真很可能会在长时间曝光的照片上抹平那些望远镜中可以用肉眼分辨出来的特征,这意味着最早期天文学家的手绘观测可能一直都是准确的。

“直到现在,我们才拥有了技术,能够复现人类的眼睛在1800年时看到的细节。”她说。

威尼斯人 11左图是凯克II望远镜关闭自适应光学系统后拍摄的照片,由于地球大气层的抖动,画面显得模模糊糊。然而,一旦开启自适应光学系统,数十个新的云团特征就立即显现在天王星的表面,如右图所示。这张照片是在波长大约1.6微米的红外波段拍摄的。图片来源:Heidi Hammel, Imke de Pater, W. M. Keck Observatory

“这一宇宙级别上的巧合,将NASA历史上标志性的外太阳系探测器之一,与我们的下一代外太阳系探测器关联在了一起。”NASA行星科学部主任吉姆·格林(Jim Green)说,“整整25年前,就在海王星,旅行者2号让我们有机会向一颗当时尚未被探测过的行星投去了‘第一眼’。现在,轮到‘新视野’探测器了。明年夏天,它将揭示尚未被探测过的冥王星及其卫星们的惊人细节,随后继续挺进广袤的外太阳系深处。”

3月,印度将发射月船2号(Chandrayaan-2)。这是印度的第2次探月任务,远比第1次探月任务复杂艰巨得多,不仅包含一个轨道探测器,还包含一个着陆器和一辆月球车。月船2号将是印度首次尝试在月球表面软着陆。

更轻更快

让我们有能力往天王星、海王星和冥王星发射轨道探测器,并不是重型猎鹰的出现所带来的唯一好处。重型猎鹰不只能够发射更重的载荷,还能把更轻的载荷(比如大多数行星轨道器)发射到非常非常快的速度。如此一来,抵达太阳系外围那些行星所需的时间,就有可能缩短到5-8年,而非使用其他现有火箭所要花费的10-14年。

上世纪70年代末,两枚一模一样的旅行者号探测器从地球升空,对太阳系外侧的几颗行星进行了接连探访。之所以能够一次造访多颗行星,是因为当时太阳系的行星排列成了罕见的模式,这样的机会每175年才会出现一次。旅行者2号在1986年1月飞掠了天王星,又在1989年8月飞掠了海王星。这枚探测器飞行速度太快,又没有携带燃料用于减速,无法进入环绕这两颗行星轨道。

“25年前的那种感受是——这真是太酷了,因为我们即将第一次近距离看清海王星和海卫一,”美国约翰斯·霍普金斯大学应用物理实验室的拉尔夫·麦克纳特(Ralph McNutt)回忆道,他现在领导着新视野号高能粒子的研究工作,并且仍供职于旅行者号等离子体分析团队。“同样的事情,在新视野号上会再来一遍。哪怕还在今年夏天,距离飞掠仍有一年的时间,我们的相机拍到的冥王星和它最大的卫星只是小小的光点,我们也知道有一些不可思议的事情就在前面等着我们。”

威尼斯人 12 SpaceX的载人龙式飞船,2018年可能首次载人飞行。图片来源:SpaceX

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