下一次去哪?金星、木卫一,还是海卫一?
2020-03-03 10:00

下一次去哪?金星、木卫一,还是海卫一?

本文来自微信公众号:科学大院(ID:kexuedayuan),作者:haibaraemily,题图来自:电影《星际探索》


近日,NASA公布了下一届“发现”级项目(Discovery Program)的四个候选任务[1]


(图片来源:NASA)


说到NASA的“发现”级项目(Discovery项目),可能大家并不陌生。许多我们熟知的太空探测任务,都出自Discovery项目。


(图片来源:NASA)


发射于2018年,如今正在火星上探测火震、艰难打洞的“洞察号”火星着陆器,是当选于2012年的Discovery项目任务。(戳:有惊无险成功着陆火星!你好呀,洞察号!


洞察号在火星上的工作示意图(图片来源:NASA) 


发射于2007和2009年,但几乎同时在2018年底结束任务的黎明号(Dawn)小行星带探测器和开普勒号(Kepler)系外行星探测器,是2001年当选的Discovery项目(详见:NASA黎明号结束任务:再见,小行星带的穷游博主!再见开普勒,感谢你告诉我们不孤独)。


黎明号(左)和开普勒号(右)探测器示意图(图片来源:NASA)


计划于2021和2022年发射的小行星探测任务露西号(Lucy)和灵神号(Psyche)探测器,则是最近一届(2017年)刚刚当选的Discovery项目[2]


第一艘即将探索木星特洛伊小行星的露西号(左)和第一艘即将探索金属小行星(灵神星)的灵神号(右)假想图(图片来源:Credits: SwRI and SSL/Peter Rubin)


Discovery项目,是如今的NASA按照规模大小来划分的一类深空探测项目,属于三大梯队之一:


  • 大型:“旗舰”级项目(Flagship Program)


  • 中型:“新疆界”级项目(New Frontiers Program)


  • 小型:“发现”级项目(Discovery Program)


三者各自有着不同的官方指定目标和侧重,具体说起来好像很复杂的样子。


但是!其实,简单来说就是预算的不同……


只需要记得Discovery项目最穷就完事儿了。PS:旗舰级除了深空探测项目之外,还有天文等其他领域的探测任务,但新疆界和发现级任务都只有深空探测项目(图片来源:作者自制)


是的,Discovery项目主打成本低、周期短、见效快的小型项目,目前通常每个任务的预算不超过4.5亿美元(不包括发射和发射后的运营费用),设计寿命不超过36个月,探测目标精简明确。通俗来说就是:更快、更好、更便宜,有生之年还能再看几十个。


也正因为这样的指导方针,开始于1992年的Discovery项目至今已获批14个深空探测任务,其中11个任务成功开展,以极低的成本、极高的效率,大大增进了我们对太阳系内和系外诸多方面的认识。


目前所有获批的Discovery项目任务 整理:haibaraemily、编辑:尞祡


而近日NASA公布的下一届Discovery项目的四个候选任务,包括海卫一探测任务TRIDENT、木卫一探测任务IVO和两个金星探测任务DAVINCI+和VERITAS。通常我们以小行星带为界把太阳系一分为二,内部的是内太阳系,外部的是外太阳系,这次的四个候选名单也很平均:两个外太阳系任务+两个内太阳系任务。


海卫一:犹抱琵琶半遮面


1846年10月10日,仅仅在德国天文学家约翰·伽勒(Johann Galle)发现海王星的17天后,英国天文学家威廉·拉塞尔(William Lassell)发现了海王星最大的卫星——直径2700公里的海卫一(Triton)


在太阳系的所有大卫星里,海卫一其实挺特别的。


海卫一的轨道面不在海王星的赤道面上,两者夹角高达23度,而且,海卫一还是逆行的!也就是说,它的公转方向和海王星的自转方向相反——这些都让天文学家们怀疑,海卫一并不是海王星亲生的,而是从柯伊伯带天体里捕获来的[3]


然而,正如我们曾经介绍过的木星和土星卫星那样,通常只有个头很小的不规则卫星才会这样,但海卫一又完全不是——它个头很大,直径大约是地球的五分之一,比冥王星还大一点。也就是说,如果海卫一真的来自柯伊伯带,那它不仅可能保留着柯伊伯带天体化学成分,还可能体现了被海王星的潮汐加热所塑造的地质特征,还可能是太阳系里最大的一颗捕获卫星。


海卫一相对于海王星的轨道。(图片来源:维基)


然而,直到1989年8月25日,人类才第一次近距离看到了这颗卫星表面的样子。这一天,跋涉了12年的旅行者2号探测器,终于迎来了和海王星短暂的擦肩而过——旅行者2号飞掠了海王星,也飞掠了海卫一。



行星科学家Paul Schenk用旅行者2号拍摄的影像重建了当时飞掠海卫一的场景(视频来源:NASA/JPL-Caltech/Lunar & Planetary Institute [4]


但这短暂的擦肩而过,只让旅行者2号看到了海卫一的半面。由于海卫一的自转很慢(近6天才能自转一周),而旅行者号是飞掠任务,无法停留,所以无奈错过了海卫一当时处于夜半球的那半面(北半球的大部分区域)


海卫一地质图(左)和全球地图(右),北半球大部分是空白的(图片来源:Antonio Ciccolella和LPI)


但仅仅半面之缘,海卫一的活跃已经让人印象深刻。在海卫一这颗距离太阳如此遥远的冰卫星上,旅行者2号短暂的一瞥就发现了至少4处间歇泉一般的喷发,喷出的暗色物质羽流(plume)高达8公里[5]——海卫一和我们所熟知的木卫二、土卫二这样的卫星上一样,可能有地下次表层海洋,可能产生有机物,也就是说,它可能具备孕育生命的条件。


海卫一上的暗色物质喷发(plume箭头处)(图片来源:NASA)


然而旅行者2号之后又过去了三十多年,人类再也没有派探测器前往过天王星和海王星。于是直到现在,我们依然不知道海卫一神秘的另外半面长什么样,也不知道海卫一的表面到底有多么活跃,地下到底有没有海洋。


这些正是三叉戟任务TRIDENT的目标(trident是希腊和罗马神话中海神波塞冬/尼普顿的武器三叉戟),它计划于2026年发射,通过地球、金星、地球、地球、木星的多次引力助推之后,最终于2038年飞掠海王星和海卫一,带着更先进的科学仪器,继续30多年前旅行者2号未完成的探测。


不过,愿望虽然美好,现实也不可忽略。目前看来,三叉戟任务TRIDENT不管是任务的复杂度、所需的探测周期还是预算,都似乎超过了Discovery项目的能力范畴,但如果强行压缩开支、精简探测内容来让这个项目上马,最后仅仅是飞掠一次,似乎也对不起途中十几年的跋涉和等待。经费和探测内容之间的取舍权衡,还要看NASA的判断了。


但不管TRIDENT任务是否获批这次Discovery项目,海卫一这样一颗星球,绝对值得一个环绕甚至着陆任务来长期探测,也值得“新疆界”级甚至更高等级的投入。


木卫一:喷涌的火山世界


木卫一也是太阳系的众多卫星里独一无二的一颗。


木星的四颗最大的卫星:木卫一Io、木卫二Europa、木卫三Ganymede、木卫四Callisto,如今也被称为“伽利略卫星”。它们与木星的距离没有按照比例(图片来源:维基)


它身在外太阳系,个头也不算小(直径3600公里,比月球略大),但它却没有像木卫二三四、土卫一二三四那样成为一颗被冰层覆盖的冰卫星,因为它离巨无霸木星太近了。


木星引力不断地”揉捏“着这颗卫星,永无止尽的剧烈摩擦产生的潮汐加热作用让这颗卫星内部获得了大量的热量——不管是冰层还是地下海洋,都无法存在。


四颗伽利略卫星之中,距离木星最近的木卫一Io受到了最剧烈的木星引力“揉捏”,也在内部产生了最多的热量。(图片来源:Professor Kenneth R. Lang, Tufts University)


于是,它成了外太阳系中最像类地行星的一颗星球。它有着富硅酸盐的壳幔和富金属的内核,平均密度和月球相当。


木卫一的表面(图片来源:NASA)


然而,它又有着连类地行星都无法企及的活跃——它是太阳系中最活跃的一颗星球。


遍布全球的400多个活火山持续喷发,富硫的羽流可以喷出地表高达500公里,奔涌而出的熔岩不仅塑造了木卫一硫黄色的外观,更一遍又一遍地刷新着木卫一的地表,以至于木卫一的表面甚至看不到一个撞击坑的遗迹——一切都被火山活动抹去了。


新视野号拍摄到的一次木卫一火山喷发(图片来源:NASA)


对外太阳系天体来说,木卫一的探测任务不能算少。先驱者10号、11号,旅行者1号、2号都曾在飞掠木星的同时飞掠过木卫一,环绕木星探测多年的伽利略号、朱诺号探测器,也会捎带着探测一下木卫一,顺路经过木星的新视野号,也会瞄几眼木卫一——但至今为止,还没有一颗为木卫一而生的探测器来仔细探索这颗星球。


木卫一火山观测任务IVO计划在2026-2028年发射,通过火星和地球的引力助推,于2031年抵达木星,进入环木星轨道,然后在接下来的4年里择机近距离飞掠9次木卫一。IVO任务的目标是深入了解木卫一的火山活动,研究木星的潮汐力是如何塑造这颗卫星,内部的岩浆又是如何产生和喷出的……这些不仅可以加深我们对内太阳系岩质星球形成和演化的理解,也同时可以加深我们对外太阳系冰卫星的认识。


从各个层面上来说,对木星卫星的探测都会是NASA和欧空局下一个十年的重点目标,如果IVO计划当选了下届Discovery项目,这将意味着下一个5-10年里,NASA会有IVO任务去往木卫一,Europa Clipper任务去往木卫二,欧空局会有JUICE任务去探索木卫二三四尤其是木卫三……


下一个十年,我们很可能会重新认识木星的卫星们。


金星:你会来到我身边,还是再次陪跑?


金星,曾经是人类寄予厚望的一颗星球,大小和位置与地球差不多的它一度被认为是地球的“姊妹星”。


然而,金星也绝对算得上是人类深空探索的伤心之地。


从1961年到1984年,苏联凭着一不怕死二不怕死的精神,发射了30多颗金星探测器,其中10次成功着陆金星表面。


然而,也正是这些近距离接触告诉我们,金星的环境实在太恶劣了!


高温高压,稠密的酸性大气还有毒——这里不仅不可能孕育任何生命,也很难让探测器能够安全地探测。事实上,即使是所有成功着陆金星的探测器,也顶多是随便测了几下就迅速坏掉了,享年几个小时……



1982年3月1日,苏联的Venera 13号着陆火星拍摄的黑白和合成彩色照片。这颗顽强的探测器着陆后存活了2个小时7分钟,拍摄了14张照片(图片来源:苏联)


这性价比,吓得后来各国都不敢着陆金星了。


相比而言,美国就谨慎多了,从1962年到1989年,一共只发射了7颗金星探测任务,而且以飞掠器轨道器为主,只有Pioneer Venus 2是着陆任务。


这也完全可以理解。既然着陆金星太过危险、性价比也低,那飞掠或者环绕金星做遥感探测自然也就成了较为安全的方案。然而,遥感能够探测的也非常有限。


在极度的温室效应下,金星被稠密的大气所覆盖,可以说,轨道器在可见光波段是几乎啥都看不见的。


1974年,NASA的水手10号探测器飞掠金星时拍摄(图片来源:NASA)


所以仅有的比较可行的遥感探测又分成了两条路:1、通过雷达探测金星表面地形,也就是当年苏联的Venera 15、16号和NASA的麦哲伦号走的路子;2、通过磁力计等仪器探测金星的电磁环境和通过红外和紫外波段探测金星的大气,这是欧空局的金星快车号和至今仍在工作的日本JAXA晓号(Akatsuki)走的路子。


如今的我们能够大致知道金星表面的形貌,全靠几十年前这仅有的几次雷达探测任务。


通过雷达数据还原的金星表面形貌(图片来源:维基)


NASA对探索金星的态度是一以贯之的谨慎——上一颗NASA的金星探测任务,还是1990-1994年的麦哲伦号,这已经是26年前的事了。


本次入选Discovery项目的四个候选任务里,金星任务占了两个:探测金星深层大气的DAVINCI+任务和探测金星表面地形和地质的VERITAS任务。


看起来似乎赢面很大的样子,但是……其实这两个任务已经是Discovery项目的老面孔了。


在上一届进入Discovery项目终选的5个候选任务里:2个金星任务、2个小行星任务、1个近地小天体任务。结果2个金星任务都落选了,露西号和灵神号2个小行星任务全部当选(真的是不给金星活路)[6],这2个落选的金星任务就是DAVINCI和VERITAS……


四年多过去了,这俩任务改进了一番,又来竞选了,连名字都几乎没变。


DAVINCI是个勇于打破目前现状的探测任务,目标是扎进金星大气层中,一直落到表面,利用在大气层中降落的63分钟里,打开光谱仪和相机一通狂测,近身肉搏探索金星的深层大气。


着陆之后呢?


着陆之后呢?唉,别想那么多,先只管活过63分钟就可以了。


DAVINCI任务工作假想图(图片来源:NASA)


这样的探测形式走的是1978年NASA的Pioneer Venus 2任务的路子,但如今的NASA显然很不乐意。DAVINCI任务的落选一定程度上还是很符合NASA谨慎又抠门的态度的:我们都这么穷了,为什么还要为了你一小时的工作花掉几个亿啊?!


那现在,如今改进之后的DAVINCI+又是加了啥呢?加了一个轨道器来绘制金星表面的岩石类型……算是提高了任务整体的性价比吧。这次NASA会买账么?


相比而言,另一个候选任务VERITAS就比较符合NASA的风格了。这是一个金星环绕任务,中规中矩地延续了NASA麦哲伦号任务的路子,计划花2年时间,通过合成孔径雷达和辐射探测仪来绘制金星表面的高分辨率地形图、探测金星的地质成分和热辐射状况,帮助我们了解金星的地质演化历史和金星为什么会变成现在这个鬼样子。这次NASA会给机会么?


VERITAS任务的工作假想图(图片来源:NASA)


有人认为,金星或许是地球的将来,是地球走上失控的温室之路后的归宿。


然而,金星也是如今的类地行星里,我们了解最少的一颗。一颗和地球先天条件如此相似的星球,最终为什么会变成生命的噩梦?了解这些,或许可以帮助我们了解地球自身,了解地球的未来。


对于金星这个想了解又不敢冒进的目标,本次竞选的2个任务是会终获青睐,还是会再次陪跑?我们只能静待结果的揭晓了。


这四个选中的任务将各获得300万美元来进一步完善任务规划,角逐下一轮终选。最终会有最多两个探测计划当选,结果将在2021年公布。


这将决定我们下一个5-10年可以看到去往哪颗星球的探测器发射。


PS:说到底,为什么不能都去?


唉,还不是因为NASA也没那么多钱了嘛……


(底图来源于新浪微博,作者有改动)


参考文献:

[1] NASA | NASA Selects Four Possible Missions to Study the Secrets of the Solar System

https://www.nasa.gov/press-release/nasa-selects-four-possible-missions-to-study-the-secrets-of-the-solar-system  

[2] NASA | NASA Selects Two Missions to Explore the Early Solar System

https://www.nasa.gov/press-release/nasa-selects-two-missions-to-explore-the-early-solar-system  

NASA | Planetary Missions Program Office

[3] Agnor, Craig B., and Douglas P. Hamilton. "Neptune's capture of its moon Triton in a binary–planet gravitational encounter." Nature 441.7090 (2006): 192-194.

[4] NASA | Voyager Map Details Neptune's Strange Moon Triton

https://www.nasa.gov/jpl/voyager/triton-20140821  

[5] Soderblom, L. A., Kieffer, S. W., Becker, T. L., Brown, R. H., Cook, A. F., Hansen, C. J., ... & Shoemaker, E. M. (1990). Triton's geyser-like plumes: Discovery and basic characterization. Science, 250(4979), 410-415.

[6] NASA | NASA Selects Investigations for Future Key Planetary Mission

https://www.nasa.gov/press-release/nasa-selects-investigations-for-future-key-planetary-mission  


本文来自微信公众号:科学大院(ID:kexuedayuan),作者:haibaraemily

本内容为作者独立观点,不代表虎嗅立场。未经允许不得转载,授权事宜请联系hezuo@huxiu.com
如对本稿件有异议或投诉,请联系tougao@huxiu.com
正在改变与想要改变世界的人,都在 虎嗅APP

相关推荐