“旅行者2號”看到的“天王星”(左)和“海王星”(右)，二者大小和質(zhì)量相似，被天文學家視為“雙胞胎”。圖片來源：《自然》網(wǎng)站
太陽系八大行星。圖片來源：網(wǎng)絡(CBS news)
科學家對火星開展了長期持續(xù)的探索，也向木星、土星、水星和金星分別派遣了多位“使者”，窺探到這些行星不少秘密，唯獨天王星和海王星，迄今只有“旅行者2號”探測器于上世紀80年代拜訪過。這兩顆藍色的冰巨星是太陽系中距離地球最遠、人類探索最少也最神秘的行星。
現(xiàn)在，隨著一個罕見的“行星連珠”時刻日益接近，越來越多科學家提議向天王星或海王星派遣探測器。他們認為，探索這兩顆冰巨星將帶來很多嶄新的研究領域，包括研究天王星的行星環(huán)、行星大氣層、行星的衛(wèi)星和海洋等，進一步揭示太陽系邊緣隱藏的奧秘。
太陽系的“藍色妖姬”
天王星是有著大理石紋的淡藍色星球，懸在黑暗冰冷的太空深處，距離太陽29億公里。和土星一樣，天王星也有行星環(huán)。而在距太陽45億公里的太空深處，棲息著海王星。
天文學家將天王星和海王星視為“雙胞胎”，因為它們的大小和質(zhì)量相似。但瑞士蘇黎世大學行星科學家拉維特·海勒德表示，沒人知道它們究竟有多相似，也不知道它們的組成以及它們?nèi)绾涡纬伞?/p>
現(xiàn)有模型很難解釋這兩顆行星的內(nèi)部結構，也無法闡釋為什么距太陽更遙遠的海王星似乎比距離太陽更近的天王星更熱——“旅行者2號”提供的數(shù)據(jù)顯示，天王星表面溫度為零下224攝氏度，是太陽系中最冷的行星;而海王星表面溫度為零下214攝氏度。
海勒德說，每個人都認為，這兩顆天體是由水或氨冰組成，“但真相如何仍是未知數(shù)”，需要派遣探測器前去一探究竟。
英國布里斯托大學系外行星科學家漢娜·威克福德表示，探索冰巨星的重大任務也將使系外行星研究受益。因為已知的系外行星中，約40%跟冰巨星差不多大小，對太陽系內(nèi)這兩顆冰巨星的探索有助于我們進一步了解這些系外行星的大小和大氣層，從而揭示它們的形成和演化過程。
拜訪這兩顆冰巨星中的任意一顆都會獲得豐碩成果。研究表明，雖然派遣一個探測器拜訪兩顆行星是可行的，但這樣做的成本太高。
如果二選一的話，有科學家認為，應該派遣探測器拜訪海王星，因為其最大的衛(wèi)星海衛(wèi)一“特里同”(Triton)的地質(zhì)活動很活躍，而且，或許擁有一個可能由液態(tài)水組成的地下海洋。
但NASA噴氣推進實驗室行星科學家馬克·霍夫施塔特認為，天王星比海王星更奇特，因為天王星的磁場相對于行星旋轉軸傾斜，這挑戰(zhàn)了現(xiàn)有科學模型。此外，天王星的發(fā)射窗口更晚一點，也使探索這顆行星更切合實際。
“行星連珠”的引力彈弓效應
科學家們表示，除了海王星和天王星這對“藍色妖姬”本身充滿神秘誘惑之外，這兩顆行星和木星之間罕見的“行星連珠”現(xiàn)象將出現(xiàn)于本世紀30年代初。“行星連珠”是指行星都在太陽同一側且排列在一條直線上。
屆時，航天器可利用這一現(xiàn)象，在飛向行星的途中利用木星的引力彈弓效應，縮短行進時間，更快到達目的地。此外，利用引力彈弓效應還可以減少探測器的燃料使用量，使飛船能攜帶全套科學儀器。
為利用這一罕見的時刻，前往海王星的探測器需要在2031年左右發(fā)射;而前往天王星的探測器則需要在本世紀30年代中期發(fā)射。
霍夫施塔特說，上述兩個時間段是“正確的發(fā)射時機，機不可失。”
錯過機會將再等十年
盡管如此，很多人擔心時間來不及。對于NASA而言，此類耗資數(shù)十億美元的“旗艦”任務通常需要7—10年時間準備，而NASA要根據(jù)將于2022年發(fā)布的《行星科學十年調(diào)查》中所確定的任務優(yōu)先級來考慮批準哪些項目，前往海王星或天王星的任務將面臨從火星取回樣本或探索金星等提案的競爭。
歐洲空間局(ESA)戰(zhàn)略、規(guī)劃和社團協(xié)調(diào)負責人法比奧·法瓦塔表示，就太空而言，“就像要后天派遣探測器一樣”。ESA正在開展兩項重要任務，預計于本世紀30年代初發(fā)射。因此，“旅行者2050”(Voyage 2050)提議拜訪冰巨星，ESA也無法在此發(fā)射窗口發(fā)射探測器。“旅行者2050”是ESA下一個長期空間探索計劃，所有被這個計劃選中的項目，會在2030年到2050年之間發(fā)射。
他補充說，作為備選方案，如果美國同意，ESA可參與NASA領導的任務。兩家機構都可以發(fā)送更輕便、成本更低的任務，例如飛越其中一顆冰巨星。這也將為科學家提供有價值的數(shù)據(jù)，但無法提供科學家希望的全面數(shù)據(jù)。
如果錯過了本世紀30年代的發(fā)射窗口，科學家們將不得不再等十年，等下一“行星連珠”現(xiàn)象出現(xiàn)，或者仰仗更強大的發(fā)射系統(tǒng)，例如NASA的“太空發(fā)射系統(tǒng)”(SLS)，但該技術目前仍處于研發(fā)階段。
英國萊斯特大學的行星科學家利·弗萊徹說，人類已對火星、金星、土星、木星等開展了較為深入的探索，但“天王星和海王星有其獨特之處，我們還沒有完成探索它們的第一階段”。
人類對冰巨星的每一次造訪都是進入未知世界的遠航，盡管探測器到達那里時會因為速度太快，只能在行星范圍內(nèi)停留數(shù)小時，但這數(shù)小時收集的數(shù)據(jù)，也讓我們開始了解那些隱藏在太陽系邊緣空間的秘密。(記者 劉 霞)
