美国宇航局的下一个目标是什么?土星的卫星泰坦,或者可能是一颗彗星

一个用于探测泰坦是否存在生命的飞行无人机,以及一个将彗星样本带回地球的航天器,是美国宇航局寻找下一个行星际目标的最终入围者

An artist's rendering of Dragonfly, a proposed spacecraft to explore Titan

蜻蜓号的艺术家渲染图,它是美国宇航局下一个“新前沿”任务竞赛的两个入围者之一。蜻蜓号是一种双四旋翼着陆器,它将在土星最大的卫星泰坦上进行研究期间,飞往多个地点,有些地点相隔数百公里。

官员周三宣布,一个提议使用飞行探测器探索土星卫星泰坦的团队,以及另一个希望向67P/丘留莫夫-格拉西缅科彗星发送样本采集任务的团队,是美国宇航局寻找下一个行星际目标的最终入围者。该竞赛于 4 月下旬正式开始,当时 12 个团队提交了将航天器送往太阳系各种目标的提案。每个入围团队将获得 400 万美元,用于在 2019 年年中之前确定其概念,届时美国宇航局将选择其中一个作为该航天机构“新前沿”计划的第四个成员进行全面开发。之前的新前沿任务包括发送到冥王星的新视野号探测器、木星的朱诺号轨道器,以及目前正在前往 2018 年从本努小行星采集样本的 OSIRIS-REx 航天器。第四个新前沿任务将在 2025 年底之前发射。

美国宇航局位于华盛顿特区的科学任务理事会副主任托马斯·祖布臣说:“这是我们在开发下一个大胆的科学发现任务中迈出的巨大一步。”“这些引人入胜的调查旨在解答当今太阳系中一些最大的问题。”

泰坦是土星最大的卫星,一个低温寒冷的世界,其表面由碳氢化合物河流和海洋塑造,这些河流和海洋由甲烷、乙烷和复杂的有机化合物从其浓密、烟雾弥漫的大气中降落而形成。在它寒冷的外表下,泰坦还隐藏着一个深邃的液态水海洋。名为蜻蜓号的新前沿入围者将发送一架核动力直升机式无人机,在泰坦表面从一个地方跳到另一个地方,以研究其地质并评估其是否存在生命的潜力。


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该任务的首席研究员,约翰霍普金斯大学应用物理实验室的行星科学家伊丽莎白·图特尔说,有了蜻蜓号,“我们可以评估在已知具有生命成分的环境中,前生物化学的发展程度”。“通过成为旋翼机,我们能够飞行到相隔数十至数百公里的多个地点,以便在不同的地质环境中进行这些测量。”图特尔说,如果选择飞行,蜻蜓号将于 2034 年抵达泰坦并运行几年。

美国宇航局的卡西尼轨道飞行器在土星的 13 年任务期间详细绘制了泰坦的地图。它还部署了一个欧洲制造的着陆器惠更斯号,该着陆器在 2005 年着陆后短暂地从表面传输了数据。67P/丘留莫夫-格拉西缅科彗星之前也曾被欧洲航天局的罗塞塔号航天器访问过,该航天器部署了一个着陆器菲莱号,但菲莱号发生故障并丢失在表面上。罗塞塔号对彗星的绘制,以及从菲莱号不成功的着陆尝试中吸取的教训,使其成为渴望再次尝试的科学家和工程师的理想目标。彗星是行星凝聚而成的原始物质的冰冻残余物,并且还在数十亿年前向古代地球输送水和有机分子方面发挥了作用。

第二个入围者,彗星天体生物学探索采样返回 (CAESAR) 的首席研究员史蒂文·斯奎尔斯说:“我们可以针对已知存在的特定条件进行设计,这增加了从彗星表面获取样本这一非常困难的活动成功的机会。”斯奎尔斯是位于纽约伊萨卡的康奈尔大学的行星科学家,他也是美国宇航局长期运行的机遇号火星探测器的首席研究员(尽管他说如果选择 CAESAR 执行飞行任务,他计划辞去该职位)。CAESAR 的目标是从彗星表面收集至少 100 克冰和岩石,然后在 2038 年将样本放入密封的、热稳定的胶囊中返回地球。斯奎尔斯说,这将“真正只是任务的开始”,因为科学家将花费数十年的时间来分析从彗星表面首次返回的样本。

除了 CAESAR 和蜻蜓号,美国宇航局还选择了两个亚军提案,以获得进一步技术开发的资金。其中一个目标是土星的土卫二,这是一个小而冰冷的卫星,它从南极喷出盐水蒸汽羽流,被认为在其地壳下蕴藏着一个潜在的可居住海洋。由美国宇航局加利福尼亚州艾姆斯研究中心的行星科学家克里斯·麦凯领导的土卫二生命特征和宜居性 (ELSAH) 任务将飞过羽流,以寻找潜伏在这个小卫星内的生物学迹象。另一个亚军 VICI(金星原位成分调查)将向地球姊妹世界的不同位置发送两个着陆器,以了解这个曾经温和的星球是如何转变为当前地狱般状态的。

根据美国宇航局行星科学项目负责人吉姆·格林的说法,虽然 ELSAH 和 VICI 都是非常令人兴奋的任务,“但一些提议的要素并没有达到可以让我们立即开始建造东西就能使任务取得成功的成熟度。”格林建议,一旦计划更加完善,这些团队就可以重新提出他们的任务,以便在美国宇航局的行星科学项目组合中获得未来的机会。

由于预算上限约为 10 亿美元,发射率约为每十年两次,“新前沿”任务可以说是行星科学领域取得新突破的最佳选择。它们在成本和能力之间的平衡占据了美国宇航局成本较低、频率较高的“发现”计划,以及通常数十亿美元、每十年一次的“旗舰”任务之间备受追捧的甜蜜点。“新前沿”任务可以足够大,足以解决重大的科学问题,而不会耗尽资金,但也足够小,足以快速完成开发和测试周期,这可能会将更大、更雄心勃勃的任务推迟数代人。此外,与美国宇航局许多其他在内部构思、开发、建造和运行的空间科学任务不同,“新前沿”概念可以来自机构外部的“首席研究员”,从而有机会带来更多的创新。

美国宇航局“新前沿”项目科学家科特·尼布尔说:“‘新前沿’计划确实是我们首席研究员的首要计划,而且它确实是最难被选中的计划之一。”

行星科学界的广泛人士也意识到了这一教训,他们认为该计划对于在行星际探索的高风险游戏中确定赢家和输家至关重要。由于受到昂贵的火箭、漫长的开发时间、罕见的发射窗口和相对紧张的预算的限制,对于大多数研究人员来说,向另一个世界发送新任务的机会一生只有一次。

但悬而未决的不仅仅是个人职业生涯。美国宇航局每次筛选新任务的候选者时,也同时决定哪些子领域将很快从大量新鲜数据中受益,而哪些子领域可能会因缺乏兴趣和资源而默默无闻。例如,由于发送到火星的任务源源不断,最近几十年对火星的研究蓬勃发展;与此同时,美国宇航局在 20 多年里没有向金星发送航天器。其他世界,尤其是天王星和海王星,则更加被忽视:美国宇航局的旅行者 2 号航天器在 20 世纪 80 年代飞出太阳系时,仅分别访问过这两个星球一次。

在其最近的选择中,美国宇航局似乎更喜欢先前(和最近)访问过的目标,这似乎加强了一个论点,即至少在行星科学领域,富者更富。在提交的 12 个“新前沿”提案中,几乎有一半的目标是土星或其卫星,希望利用卡西尼任务的余辉,该任务在环绕这个环形行星成功运行 13 年后,于 9 月份坠入土星大气层。那些未能取得进展的提案包括一个派遣航天器像卡西尼号一样潜入土星大气层以研究其组成和历史的提案,以及一个为泰坦设计的理论轨道器和一个独立于 ELSAH 为土卫二设计的第二个羽流飞行航天器。类似地,除了 CAESAR 之外,另一个提案,彗核尘埃和有机物返回 (CONDOR) 任务,也将以 67P 彗星为目标。

这些落选者,特别是那些以其他不太受欢迎的目的地为目标的落选者(例如,除了 VICI 之外,还有两个额外提案的金星),将不得不等到美国宇航局或另一个航天机构提供更多的资金机会,这可能还需要很多年。如果以史为鉴,这种前景无疑是黯淡的。在最新一批提案中,一个名为“月球崛起”的任务,旨在从地球卫星月球取回样本,在前两次“新前沿”选择中获得了令人垂涎的“入围者”地位,但却被错过了两次,现在是三次。

“耐心是这个行业的美德,”斯奎尔斯打趣道,他指出,像他的许多竞争对手一样,他多年来一直在拼命研究他的提案。当成功的团队继续推进探索泰坦和 67P 彗星的计划时,对于其他等待探索其他新前沿的人来说,信息仍然顽固地保持不变:下次好运。

Lee Billings is a science journalist specializing in astronomy, physics, planetary science, and spaceflight, and is a senior editor at 大众科学. He is the author of a critically acclaimed book, Five Billion Years of Solitude: the Search for Life Among the Stars, which in 2014 won a Science Communication Award from the American Institute of Physics. In addition to his work for 大众科学, Billings's writing has appeared in the New York Times, the Wall Street Journal, the Boston Globe, Wired, New Scientist, Popular Science, and many other publications. A dynamic public speaker, Billings has given invited talks for NASA's Jet Propulsion Laboratory and Google, and has served as M.C. for events held by National Geographic, the Breakthrough Prize Foundation, Pioneer Works, and various other organizations.

Billings joined 大众科学 in 2014, and previously worked as a staff editor at SEED magazine. He holds a B.A. in journalism from the University of Minnesota.

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