重访冰质巨行星:NASA考虑再探天王星和海王星

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。

  颠倒的行星世界

图片 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。

  天王星是在土星外面绕太阳公转的,84.01个地球年公转1周。天王星自转方式非常奇特,就像一个耍赖的小孩,躺在地上打滚似的。天王星横躺在轨道上一边打着滚,一边绕太阳转圈。天王星如此运动的结果是天王星上的春秋两季,有着快速的昼和夜的交替,约每隔16.8小时太阳就升起一次。而冬夏两季和春秋两季则截然不同,当天王星的南半球对着太阳时,南半球处于夏季,这时期的太阳总是在南半球上空转圈子,永不下落。整个夏季南半球始终是白昼。这时背向太阳的北半球则处于冬季,整个冬季要度过长达21个地球年的漫长黑夜,难怪有人把天王星称作为“一个颠倒的行星世界”。

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。

  天王星的卫星

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)。

  在1977年之前,我们只知道天王星有5颗卫星,这5颗卫星几乎都在接近天王星的赤道面上,绕天王星转动。因为天王星的自转轴倾斜为98°角,这5颗卫星都成了逆行卫星。其中,天卫三和天卫四较大,直径分别为1000千米和1630千米,其余三颗比较小,最小的天卫五是1948年美国天文学家柯伊伯发现的,直径为484千米。天卫五的地形复杂,有高达24千米的山峰,坑坑凹凹的洞和数条线状的沟,它的成因迄今依然还是个谜。

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。

  1986年旅行者2号探测器造访了这颗行星,发现了10颗新卫星,使它的卫星数目增加了2倍,共计15颗,新发现的卫星都很靠近天王星,但都比较小,直径多在20~100千米之间。最大的一颗直径为160千米,此卫星被称为1985UI。只有这颗卫星是旅行者2号在飞往天王星的旅途中发现的。

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。

图片 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

  天王星的面目才稍稍揭开,还会不断有新的疑谜产生。要想更深地了解谜一样的天王星,还要靠天文学家们的长期不懈的努力。

图片 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。

图片 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

  意外的发现

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。”

图片 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

  土星有美丽而奇特的光环早已是众所周知的事了,光环似乎成了土星的

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。”

图片 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

  “专利”。直到本世纪70年代才打破了这种垄断现象。

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。

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)

  1977年3月10日,在一次天王星掩恒星的天象观测中,天王星在天空缓慢移动,从天秤座中一颗编号为SAO158687号的暗恒星后面经过,出现了罕见的掩星天象。中国、美国、澳大利亚、印度和南非的天文台都抓住这难得遇到的机会进行观测。掩星前出现5次和掩星后出现5次忽暗忽亮现象。经过天文学家们的分析,确认天王星也有光环,是9条细环,宽度约10万千米。

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

  1986年1月24日旅行者2号探测器以每小时72000千米的速度飞掠天王星时,又发现了天王星的11个环,纠正了9个环的认识。天王星共有20个环,不同的环有不同的颜色,给这颗遥远的行星增添了新的光彩。

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。

  海王星也具有辐射带,还有类似于在地球南北极出现的极光。隔
16小时3分至16小时5分发生一次,说明海王星也有磁场。海王星磁场与其自转轴之间的倾角约为50°,其磁层中主要是由氢离子,氦离子和氨离子构成。

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。

  笔尖上的发现

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。

  自从1781年天王星被发现以后,人们发现天王星老是不守“规矩”,在绕太阳转圈的轨道上总是东摇西晃的,使众多的天文学家们感到困惑不解:或许在天王星的外侧还有1颗大行星,由于它的存在,造成天王星的行动异常!
19世纪,许多天文学家们致力于搜索这颗“天外行星”的热门工作。

图片 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

  当时有两位青年——英国亚当斯和法国勒威耶在互不知晓的情况下,分别进行了整整2年的计算工作,1845年亚当斯先算出“天外行星”的轨道,但是,格林尼治天文台却把他的论文束之高阁,错过了首先找到新星的良机。1846年9月18日,勒威耶把计算结果寄到了柏林,却受到了重视。柏林天文台的伽勒不失时机地搜索这颗“天外行星”,最终在勒威耶指点的位置附近发现了这颗新行星,这就是太阳系家族的第八颗大行星——海王星。

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。

  笔尖下发现的海王星,使太阳系的疆域又一次向外推移,达到了45亿公里之遥,同时,为哥白尼学说和牛顿力学提供了最好的佐证,成为科学史上一段脍炙人口的佳话。

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)

  海王星

  在大型天文望远镜里的海王星,呈现出淡蓝色的圆面,人们自然而然地联想到蔚蓝色的大海,于是,西方人用罗马神话中的大海之神——尼普顿的名字来称呼它,中文译为海王星。

  天王星的兄弟

  海王星绕太阳运转的轨道半径为45亿千米,是地球距离太阳的30倍,公转一周需要165年。从1846年发现到今天,海王星还没走完一个全程。

  海王星的直径是49400千米,和天王星类似,质量比天王星略大一些。因此海王星的内部结构与天王星极为相近,所以说是天王星的孪生兄弟。

  海王星表面也有厚厚的大气层包围着,大气中含有氢、甲烷和氨等气体。由于海王星离太阳遥远,表面有效温度为-230℃,但在红外波段,海王星的辐射能量超过它所吸收的太阳能量,这表明海王星也可能存在内部局部能源。从1989年8月“旅行者2号”考察海王星时发回的照片上发现,海王星上面有一个大鹅卵形黑斑,二个暗斑和三个亮斑。黑斑的直径约为1.28万公里,看上去像一只大眼睛,大约每10天逆时针旋转一周。这个大黑斑实际上是一个气旋,它是海王星大气的高压区,在它上面约50公里处有一些像卷云般的云朵。分析表明,在海王星大气中含有高浓度的甲烷和氢硫化物。

  天王星和海王星的内部结构既不像类地行星富含硅、铁,又不像巨行星那样富含氢、氦,它们基本上是由水、甲烷、氨等氢化物构成;而硅酸盐、铁、氢和氦只是次要成分。这就是说,虽然天王星和海王星也像巨行星那样是液态行星,但它们的化学成分已不是原始星云物质。

  现在认为天王星和海王星的大气中氢仍是主要成分,其内部结构分为三层:富氢的大气层,其质量为1~2地球质量;由甲烷、氨和水构成的液态幔,其质量约为地球质量的10倍;岩—冰核,其质量约为地球质量的3倍。

  根据地面观测,天王星和海王星也有磁层。为此,“旅行者2号”的探测项目中设置了对天王星、海王星磁层的探测项目。“旅行者2号”在到达天王星最近距离点之前,就探测出天王星发出的射电信号和带电粒子流。经测定,天王星也有磁层结构,其磁层中主要是由质子和电子构成的等离子体。磁层在朝向太阳的一面至少延伸到59万公里的高度,其磁尾延伸到600万公里。天王星也有与地球范艾伦带类似的辐射带。

  1989年8月24日,“旅行者”2号抵达海王星近区,对海王星进行多方面的探测。观测资料向我们展示了海王星的“画卷”。海王星是一颗蓝绿色的行星,大气层内十分活跃,各层的云都在高速流动,风暴层出不穷。在大气层中存在两个暗斑和3个亮斑。其中一个大暗斑在东西方向上达12000公里,南北方向上达8000公里,位于海王星南半球南纬21°,与木星大红斑一样,是沿逆时针方向运动的气团。大黑斑的南部还伴有明亮的白斑。“旅行者”2号还新发现海王星有6颗卫星,使海王星卫星总数达到8颗。发现海王星有5条光环。迄今为止,木星、土星、天王星和海王星都具有光环。它们同属类木行星。这给关于太阳系起源和演化的研究注入了新的活力。

  探索海王星