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重访冰质巨行星,天王星为什么这么熊

天王星很特别。

(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。

永利网站网址 1旅行者2号探测器于1986年拍摄的天王星。图片来源:NASA网站

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。

它是人类用望远镜发现的第一颗行星。这颗天蓝色的冰质巨行星,个头足有地球的4倍,质量则是地球的大约15倍。从内向外数,它在太阳系8颗行星里排名第7。虽然不是离太阳最远的,气温却是行星里最低的。

自那以后,我们再也没有回去过。

更特别的是,它几乎躺在轨道上转动。

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)。

太阳系的每一颗行星,自转轴和公转轴的方向,多少都会有所差异。在地球上,这两个方向的夹角大约是23.4°。正是因为存在这一夹角,地球上才出现了春夏秋冬这样的季节变换。

距离下一份《十年调查》仅有5年之际,科学家重新提出了这项计划,发射一枚探测器探访太阳系最外侧的冰质巨行星。NASA新发布的一份报告,描述了去那里探测的理由,以及什么样的航天器能够把我们带去那里。

其他行星也有夹角,一般也就是二三十度,甚至更小。天王星的这一夹角,却达到了大约97.8°。换句话说,它就像一个熊孩子,一边绕着太阳转圈,一边躺在地上打滚耍赖。

永利网站网址 2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

永利网站网址 3不用怀疑,照片并没有被旋转90度。图片来源:Almond/NASA

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。

永利网站网址 4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

为什么天王星会这么熊?或者说,为啥它的倾角会有这么大呢?

为什么要回去?

不管前往哪颗冰质巨行星,需要一次探测任务来解答的最为紧迫的问题都是,这些行星最外侧的云层之下究竟隐藏着什么。NASA的朱诺号前往木星想要回答的,也正是类似的问题。

弄清这些行星的基本成分和内部结构,对于我们了解太阳系如何形成来说,将填补一段重要的空白。在我们已经发现的太阳系外行星当中,与天王星和海王星质量相当的星球似乎要比木星和土星之类的气态巨行星更为常见。而冰质巨行星在太阳系诞生的过程中,似乎需要一组非常特殊的环境才能够形成。

“基于现有的模型,似乎只在非常短的一段时间窗口当中,这类行星才有可能形成。”NASA戈达德空间飞行中心的资深科学家艾米‧西蒙(Amy
Simon)说,“你需要一个足够大的行星核心,而在另一方面,你又得让太阳星云处在消散过程当中,这样才能让气体和冰同时存在。”

西蒙是发布这份新报告的科学团队联席主席。她对我说,重返冰质巨行星的原因,以及它在科学优先级上的排名,自上一份《十年调查》发布以来,并没有发生太大的变化。

所有的任务构想中都包含可以分离的探测器,将被送入冰质巨行星的大气层。主探测器至少会在环绕轨道上工作2-3年,应该会采用核动力,因为那么远的地方能够照到的阳光很少。

科学设备基本套装则包括相机、磁强计和多普勒成像仪。西蒙说,在如何揭露行星内部结构方面,多普勒成像仪就是一个特别创新的例子。

“背后的想法是,通过它,你实际上是在观察这颗行星上的地震波。”她解释说,“你看到的是这颗行星的振荡。就像天文学家在太阳上所作的类似研究那样,你可以观察太阳的振荡,从而测定它的内部结构。”

永利网站网址 51989年8月23日,海王星上的大黑斑闯入旅行者2号的视野。图片来源:NASA
/ JPL-Caltech / Justin Cowart

天文学家很早就猜想,天王星曾经遭受过严重的撞击。这场撞击不仅造成了这么大的转轴倾角,产生的碎片还形成了它的光环和5颗较大的卫星。不过猜想归猜想,我们很难找到切实的证据,因为天王星是一颗冰巨行星。

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。”

永利网站网址 6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

在地球上,我们可以在地层中探寻地球成长的历史,可以在地表发现巨大的陨石坑,证明恐龙的灭绝可能归咎于小行星的撞击。可是,对于一颗冰行星来说,不存在地层能够保留任何地质上的证据。或许它的卫星上会留下痕迹,但天王星距离地球太过遥远,除了旅行者2号在1986年飞掠过它们打量过几眼之外,人类目前还没有向那里再派遣探测器的打算。

飞去那里

飞往天王星或者海王星,花多少时间才算是在合理范围之内呢?

西蒙说,这份报告假设一艘航天器的寿命大约是15年,尽管旅行者号,还有环绕土星运转的卡西尼号,都已经超过了这一年限。

“硬件的可靠性是有极限的。”她说,“就算我们见过使用了更久的推进剂贮箱,但它们的评估标准是不同的。在可靠性方面,我们不想一点余地都不留。”

前往海王星的飞行时间,如果用配备5枚固体火箭推进器的Atlas
V型火箭发射,对于轨道器来说需要12年。如果用Delta
IV型重型火箭发射,则需要13年——还得另外配备太阳能电推部件来提供额外的推力。所有任务规划都要求借用木星引力加速,很可能还得飞掠金星和地球。

NASA的重型运载火箭——太空发射系统(SLS),有可能把中途飞行的时间缩短4年。然而,这里有一个问题:航天器的速度不能太快,因为抵达时它还必须减速以便进入轨道。这份报告指出,大气俘获技术可以容忍更高的巡航速度。本质上,大气俘获就是让航天器从行星大气层中穿过,从而减慢速度。

SLS之类的运载火箭,还可以一次发射两枚探测器。不过,前提是NASA最终能够给每一项任务都提供20亿美元的经费。

适合前往天王星的发射窗口介于2030年到2034年之间,而前往海王星的路线最适合在2029年前后发射。这意味着,我们可能要等到本世纪30年代末到40年代初,才能再次看见冰质巨行星的清晰近照了。

永利网站网址,对于哈梅尔和西蒙来说,这一点还可以接受。

“我倒希望这能够激励更年轻的科学家,因为这将是他们的任务,”西蒙说。她还记得,在电视上看到旅行者2号发回的照片时,自己还是个孩子。“或许我们能够让探测器顺利升空,但真正接手干活的科学家将是他们。所以我真的希望,在刚刚开始职业生涯的年轻人当中,以及在普通公众当中,重返冰质巨行星的任务能够引发大量的兴趣。”(编辑:Steed)

天文学家模拟了天王星遭受撞击的情景,发现这样的撞击能够解释它的诸多异常。左上角是模拟中的时间,H代表小时。视频来源: Jacob
Kegerreis/杜伦大学

还好,科学家有一种研究工具,叫做“模拟”。就像奇异博士用时间宝石一遍一遍地预演未来,寻找战胜灭霸的唯一方法一样,科学家也可以用计算机一遍一遍地模拟天王星遭受撞击的过程,试试看能不能得到与实际情况吻合的结果。

英国杜伦大学的天文学家,在高性能超级计算机上运行了高精度模拟,预演了不同情况下天王星遭受撞击的后果。幸运的是,他们只进行了50多次模拟便得到了理想的结果,不用像奇异博士那样看遍14000605种结局。

主导这项研究的科学家雅各布·凯格瑞斯(Jacob
Kegerreis)介绍说,他们的模拟显示,如果在大约40亿年前,一颗两倍于地球质量的天体以某个特定的角度擦着边缘撞上来的话,就足以把天王星本来正常的自转轴撞歪成现在的样子,还能让天王星保留住它的大部分大气层。

永利网站网址 7日本的昴星团望远镜所拍摄的天王星的环和两颗卫星。图片来源:NASA网站

此外,天王星的光环和一些卫星也可能形成于这次撞击。模拟显示,原本在行星内部的一些岩石和冰会在这场撞击中抛飞出去,在天王星周围绕着它旋转。它们会慢慢聚集在一起,形成光环和几颗主要的卫星。

不过,这毕竟仅仅是模拟的结果,除非未来真的在天王星的卫星上找到证据,我们没办法就这么把天王星的“熊”归因于一次撞击。毕竟,我们并没有时间宝石,无法回到40亿年前,亲眼见证天王星被撞的过程。(编辑:Steed)

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