美宇航局規劃2030年發射天王星或海王星探測器

美國宇航局正在規劃未來15~20年開展天王星或海王星探測計劃。左圖為天王星，右圖海王星

模擬效果圖：1989年美國宇航局旅行者-2號探測器抵達海王星，這是迄今人類對這顆星球的唯一一次探測

海王星和天王星對於大部分人來說都是比較陌生的，即便它們是太陽系內兩個非常巨大的天體。從科學探測上來說，歷史上也只有一艘飛船從這兩顆遙遠行星附近飛過，我們對於它們的了解的確非常有限。現在，這種情況或許將在不久之後被改變：美國宇航局的一個小組正在評估一項探測計劃的可行性，爭取在不久的將來發射新的探測器前往開展考察行動。如果能夠成行，毫無疑問將大大增加我們對於這兩顆冰凍巨行星以及其他類似行星的了解。

美國宇航局「冰巨星十年預研計劃組」合作主管艾米·西蒙（Amy Simon）表示：「理想中的探測模式是發射一艘軌道器，並攜帶釋放進入天王星或海王星大氣層的探測器，這將產出最高的科學價值，並允許科學家對這兩顆星球的各個方面開展詳盡研究，包括它們的光環、衛星、大氣層和磁場結構等等。」

目前檯面上已經有4個不同的探測方案備選，其中三個是軌道器項目，一個則是飛掠天王星的項目，但它將攜帶窄角相機，用於拍攝高清圖像，尤其是天王星的諸多衛星。同時它還將釋放一台大氣探測器進入天王星大氣層，對其不同高度上的氣體成分和元素含量進行測量。

一般來說，一艘軌道器必定要搭載窄角相機，多普勒成像儀以及磁強計這三種載荷。但是如果一艘軌道器能夠攜帶多達15種載荷，那麼肯定要增加等離子體探測儀，紅外與紫外相機，塵埃顆粒探測器以及微波雷達等設備。

因此目前在考慮的軌道器方案中，有這麼幾種設想：要麼發射一艘飛往天王星的軌道器，並攜帶一台能夠沖入天王星大氣層的小型探測器；要麼讓這艘飛船改去海王星，後面的設計不變；再或者就捨棄掉沖入大氣層的小型探測器，這樣可以騰出空間讓軌道器母船可以安裝多達15台不同的科學載荷。

狂暴的天氣

前往天王星或海王星的探測計劃的兩個最重要的科學目標分別是：1）確定這些冰凍巨行星的組成成分；2）確定其內部結構以及不同元素丰度。

而其他科學目標中則還包括：對磁場的考察，氣候與天氣變化模式，衛星系統，並試圖弄清海王星和天王星的光環為何與土星光環之間存在如此大的不同。而如果探測器最終確定的目標是海王星，那麼還需要考慮對巨大的海衛一進行考察，因為它很有可能是被捕獲的一顆大型柯伊伯帶天體，旅行者-2號飛船在80年代飛掠海衛一的時候已經注意到其地表似乎存在某種「噴泉」以及非常稀薄的大氣層。

美國加州大學聖克魯茲分校的喬納森·佛內（Jonathan Fortney）更支持讓探測器飛往天王星，他說：「相比海王星，天王星擁有更大規模的衛星系統，這有可能是在環繞天王星周圍的光環系統內形成的，就像木星和土星的光環系統的情況。這對於開展比較行星學研究是相當有利的，對於有機會能夠更好地理解這些小型天體之間的差異性，我感到非常興奮。」

可是，我們為什麼要耗費巨資飛往這些遙遠的冰凍巨星呢？要知道，在我們迄今發現的所有太陽系外行星中，海王星大小的行星數量是最多的。科學家們認為，理解海王星與天王星的形成機制將幫助我們了解不同冰凍巨行星之間的差異性，以及為何它們的數量如此之多。正如西蒙所言：「這些信息將幫助我們理解系外行星系統的形成機制。」

稍縱即逝的發射窗口

這樣一次探測任務要想成行，還有一些時間點需要把握。從地球出發，探測器將在太空飛行至少14年時間才能抵達它的目的地，並且由於天王星和海王星所在的距離上過於遙遠，不足以支持太陽能發電，因此飛船將需要攜帶核電源。美國宇航局難以採用使用鈈-238為放射源的核電池，因為國際上數十年來對於鈈-238的濃縮提煉一直有著嚴格的國際條約限制。一直到2013年，小規模的提純工作才被允許進行。

如果我們運氣足夠好，那麼我們將有希望在2034年發射海王星探測器。但如果由於各種原因美國宇航局未能在那一年發射探測器，那麼接下來如果還想發射的話就要等上一段時間了。

美國宇航局噴氣推進實驗室（JPL）的專家馬克·霍夫斯塔特（Mark Hofstadter）指出：「對於天王星，最好的發射窗口在2034年到2036年之間都存在。但是對於海王星，如果過了2030年，機會就會很少，因為再晚的話就很難利用木星進行引力彈弓進行借力飛行。一直要等到大約2041年左右，發射窗口才會再次打開。所以，如果真的想發射天王星探測器的話，最好現在就開始著手準備，而如果是海王星探測器，那麼時間就更加緊迫了！」

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