NASA 的天王星任务正在耗尽时间

天王星是一个孤独的世界。近四十年前，当旅行者 2 号探测器飞掠其云层顶部 81,800 公里范围内时，这颗冰巨星迎来了一位匆匆的访客。该探测器拍摄了数千张行星照片——揭示了一个神秘的世界，并提出了比答案更多的问题——然后加速飞向外太阳系。此后没有探测器再次前往那里。“天王星系统是我们地图上剩下的巨大空白之一，”加州大学圣克鲁兹分校的行星科学家弗朗西斯·尼莫说。但这可能即将改变。

去年，美国国家科学、工程和医学院发布了一项十年调查，呼吁 NASA 将其下一个大型“旗舰”任务发送到冰巨星。具体而言，该调查建议一项 42 亿美元的任务，将探测器送入天王星轨道多年，并包括一个探测器，该探测器将冲入这颗行星的大气层——这将最终帮助科学家更好地了解我们太阳系的起源和演化，以及银河系中最常见的行星类型。但所有轰动效应中最大的可能潜伏在天王星最大的卫星深处，这些卫星与外太阳系中许多其他冰冷天体一样，可能蕴藏着液态水的地下海洋。

随着天王星现在进入 NASA 的视野，全球行星科学家在过去一年中进行了激烈的辩论——讨论了该任务的关键科学以及任何需要事先回答的关键问题。他们仍然充满希望但又务实。国会尚未拨款，时间正在流逝。该任务需要在不到十年的时间内发射，以便在天王星春分时到达这颗冰巨星，届时太阳将完全照亮这颗行星及其光环和卫星。对于如此规模的任务来说，计划和执行的时间非常少，尤其是在太空机构已经被一项天文数字般的待办事项清单压得喘不过气的情况下。

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然而，这再重要不过了：如果任务到达得太晚，行星和卫星的部分区域将重新陷入黑暗。我们的答案也将如此。

诱人的暗示

当旅行者 2 号飞掠天王星时，它揭示了一颗翻倒的乳白色蓝色大理石，与太阳系中的任何其他行星都不同。这颗行星的上层大气层非常寒冷——以至于模型无法解释为什么更遥远的海王星实际上比天王星更温暖。它被十几个神秘的光环环绕，并拥有至少 27 颗卫星——其中一些卫星是由各种材料拼接而成，就像月球版的弗兰肯斯坦怪物。但最奇怪的或许是，这颗冰巨星在其历史上的某个时刻被撞倒了，使其侧卧着旋转。“这一定是一次非常壮观的事件，就像地球上形成月球的撞击一样——但规模更大，”尼莫说。

为了更好地理解这次碰撞，科学家们希望深入了解这颗行星的云层顶部之下。由于这次事件可能撞击了天王星的内部，因此能够探测行星引力场波动的轨道飞行器将能够绘制出巨大撞击造成的任何内部异常。此外，科学家们还想更好地了解古代碰撞可能如何仍然影响着这颗行星的大气层。一个侧卧的世界将经历极端季节，其中一极沐浴在阳光下，而另一极则在黑暗中冻结。由于天王星每 84 年绕太阳公转一次，因此这些季节持续数十年——并以科学家们无法想象的方式影响大气层，对化学、云层和环流模式产生影响。因此，轨道飞行器将进行全球观测，而探测器将深入大气层本身，在更深的深度进行测量。

对这颗行星进行如此详细的观测将有助于科学家们不仅了解天王星及其冰巨星同伴海王星的起源和历史，而且了解我们太阳系的演化和宇宙背景。这两个世界可能在早期都发生了迁移，这将改变它们在太阳周围的位置，并将富含水的彗星倾泻到地球和其他内行星上。更广泛地说，天王星和海王星都可能代表一种行星类别，这种类别在整个银河系中都很丰富。大约 50% 的已知系外行星是冰巨星大小的。

轨道飞行器还将向外观察，拍摄这颗行星微弱的光环——据一些估计，这些光环似乎违反了物理定律。与土星环一样，天王星的光环也由无数冰粒子组成，这些粒子可以被行星及其卫星的引力相互作用所塑造。但天王星的光环比科学家们认为正常情况下可能出现的光环要窄得多。可以将它们想象成一个半径为 50,000 公里的圆环，边缘宽度仅为 10 公里。“这不应该发生，”爱达荷大学的行星科学家马修·赫德曼说。“粒子应该相互碰撞并扩散开来。有什么东西将物质保持在特定的位置。” 可能是嵌套在光环中的小卫星。可能是天王星内部的引力不对称。或者可能是光环根本没有像我们认为的那样扩散开来。“可能我们遗漏了一些基本的东西，”赫德曼说。

虽然一些科学家将使用轨道飞行器来寻找小型牧羊卫星，但另一些科学家将仔细研究这颗行星的较大卫星。“旅行者号提供的卫星表面图像与我们预期的完全不同，”约翰·霍普金斯大学应用物理实验室的行星科学家凯瑟琳·曼特说。以天卫五米兰达为例，这颗卫星布满了深邃的裂缝、麻点状的平原和相交的山脊，默默地证明了很久以前曾被撕裂，然后又被拙劣地拼凑在一起。米兰达的拼图状性质暗示了地壳很薄弱——因此相对温暖。事实上，它足够温暖，以至于可能不需要挖掘太深就能达到高于水冰熔点的环境温度。因此，海洋可能潜伏在米兰达和其他杂乱无章的天王星卫星内部。为了验证这种诱人的可能性，轨道飞行器将监测卫星的磁场，以查看磁场是否因液态水的内部晃动而发生变化。它还将拍摄卫星的完整表面图像，以寻找正在进行的地质活动——旅行者 2 号未能做到这一点。

当那艘具有历史意义的探测器在 1986 年掠过这颗冰巨星时，它只看到了每颗卫星的一半。当时，这颗行星及其众多卫星正处于南半球夏至，南极完全被照亮，而北极则笼罩在黑暗中。“在天王星的那些卫星上，有些区域是人类或机器人之眼从未见过的，”英国莱斯特大学的行星科学家利·弗莱彻说。自然，科学家们希望下一次天王星任务在春分时到达该系统，届时阳光将从北极到南极沐浴整个行星及其卫星。这个日期是 2050 年。虽然这听起来似乎还很遥远，但一项任务需要相对较快地启动，才能穿越到达天王星的遥远距离。事实上，十年调查建议在 2032 年之前发射该任务——这个时间表允许探测器利用木星巨大的引力来加速飞向天王星，并在春分之前到达，从而可以全面观察这个划时代的季节性转变。

与太阳赛跑

要赶上 2032 年的发射期限，需要付出巨大的努力。科学界是否能在不到十年的时间内做好准备，这是一个悬而未决的问题。如果不能，科学家们将面临错过机会，无法欣赏到该系统完整的壮丽景象——这尤其令人担忧，因为下一次机会将要等到 2091 年。

“沃尔玛的货架上没有现成的天王星轨道飞行器，您可以刷信用卡购买并组装起来，”行星学会的太空政策主管凯西·德雷尔说。虽然十年调查建议的探测器看起来类似于 NASA 非常成功的卡西尼任务，该任务从 2004 年到 2017 年探索了土星系统，但冰巨星是另一种截然不同的野兽。科学家们需要关于这颗行星上层大气层的更好的望远镜数据，然后才能设计降落伞和隔热罩，以保护探测器并将其减速到最大限度地提高科学价值的进入速度。他们还需要在从上层大气层到光环之间的区域寻找危险碎片——该任务必须穿越该区域才能成功进入天王星轨道。因此，包括詹姆斯·韦伯太空望远镜在内的许多天文台将在未来几年内将目光转向天王星。

“由于从我们地球的有利位置研究天王星要困难得多，我们需要在我们的大型、昂贵、一生只有一次机会的探测器真正到达那里之前，尽我们所能地利用我们所有的武器来表征环境，”弗莱彻说。

然而，最终，NASA 天王星任务成败的关键因素不是望远镜观测或火箭技术，而是资金。在 NASA 上个月初发布的总统预算申请中，该机构表示，甚至要到 2025 年才会为该任务申请资金，此后申请的资金额将适度增长。“这不会让您在 2032 年发射，”德雷尔说。

尽管如此，行星科学界相信太空机构最终将启动这项任务，原因很简单，美国联邦政府传统上认为十年调查建议是神圣不可侵犯的。例如，上次调查建议该界优先考虑两个旗舰任务——一个从火星返回样本，另一个探索木星的冰冷卫星木卫二。这两项优先事项都已转化为实际任务。但这种不可侵犯的十年规模“待办事项”清单也存在问题。由于已经有两个旗舰任务正在进行中，并且排在天王星任务之前，NASA 的行星科学部门正承受着巨大的预算压力。“这是一项非凡的承诺，”德雷尔说。他说，火星样本返回计划尤其令人担忧，因为这项复杂任务的多个阶段（和数十亿美元的预算）涉及国际合作伙伴在相对有时限的期限内运作。对于这样的任务，一些超支和延误似乎是不可避免的，并且可能对预算过于紧张的行星科学项目组合产生灾难性影响。“正因为如此，增加天王星旗舰任务的资金将是困难的——不是不可能，而是困难的，”他说。

此外，火星和木星并不是行星阵容中唯一的地点。NASA 即将启动前往金星、土星卫星土卫六泰坦，甚至一颗遥远的小行星的任务——这将使工作人员达到极限。例如，原计划与小行星会合的灵神星任务在 2022 年 6 月被推迟，部分原因是人员不足。探测器已准备好发射，火箭也已就位，天气也晴朗。但是没有足够的工作人员及时充分测试探测器的软件。“这是丰富的过度，”圣路易斯华盛顿大学的行星科学家威廉·麦金农说。“我们有已批准的任务，我们有人才，我们有绝佳的目标。但是，试图一次性启动所有事情已被证明是一项挑战。”

尽管如此，麦金农和他的同行们仍然希望，一旦前往木卫二的任务发射，它将打开一个缺口——无论是在工作人员方面还是在预算方面——以专注于天王星。德雷尔指出，“仅仅因为它现在感觉有些悲观，并不意味着它不会改变。” 他指出了 NASA 的木卫二任务，现在称为木卫二快船。在 2010 年代的大部分时间里，该太空机构的预算一直在缩减；访问木卫二将有打破预算的风险，并且被普遍认为是一个几乎不可能实现的梦想——至少在任务的许多科学倡导者找到一位出人意料的政治支持者，即当时的德克萨斯州共和党众议员约翰·卡尔伯森之前是这样的，他几乎独自为这项工作拨款数亿美元。今天，木卫二快船号已准备就绪，等待明年 10 月发射。

时间会证明冰巨星是否也会找到它们的拥护者。“这是一场艰苦的战斗，但我们以前也这样做过，”德雷尔说。“我们不应该仅仅假设在我们从天王星任务中获得数据之前，我们就会入土为安。”