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外太陽系探測的過去和未來

2017-09-26
關(guān)鍵詞: 外太陽系

  【據(jù)航天評論網(wǎng)2017年9月11日報(bào)道】2017年9月15日,幾乎耗盡燃料的“卡西尼”土星探測器沖入土星大氣層焚毀,確保不會與土衛(wèi)六“泰坦”(Titan)或土衛(wèi)二“恩塞拉多斯”(Enceladus)等可能適宜居住的衛(wèi)星相撞。

  不久前,美國國家航空航天局(NASA)在準(zhǔn)備終結(jié)“卡西尼”時(shí),也為兩顆壽命頗長的外太陽系探測器舉行了慶祝活動(dòng)。9月5日是“旅行者”-1號(Voyager 1)發(fā)射40周年紀(jì)念日。(“旅行者”-2號(Voyager 2)比1號提前兩周多發(fā)射,但因沿著不同的軌跡飛行, “旅行者”-1號更早抵達(dá)木星和土星。)這兩顆探測器仍然在軌運(yùn)行,“旅行者”-1號甚至早已進(jìn)入星際空間。

  9月5日,“旅行者”項(xiàng)目的資深科學(xué)家、噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室前主任埃德斯通(Ed Stone),在國家航空航天博物館舉行的紀(jì)念 “旅行者”任務(wù)實(shí)施40周年的專家組會議上發(fā)表了講話,認(rèn)為“旅行者”代表了人類最為雄心勃勃的發(fā)現(xiàn)之旅,是為人類留下了寶貴的“遺產(chǎn)”。

  “旅行者”的科學(xué)成果眾所皆知:詳細(xì)勘測了木星和土星,首次——目前唯一一次——近距離觀察了天王星和海王星及其衛(wèi)星?!奥眯姓摺敝两袢栽谶\(yùn)行,測量太陽系附近或邊緣的磁場和顆粒環(huán)境。

  斯通認(rèn)為,“旅行者”一次又一次地拓展人類對行星、光環(huán)、磁場和衛(wèi)星的認(rèn)識,為許多未來的外行星探測任務(wù)奠定基礎(chǔ)。

  自“旅行者”發(fā)射以來,外行星探測任務(wù)次數(shù)并不多?!百だ浴保℅alileo)探測器對木星開展多年環(huán)繞探測,最終在2003年沖入木星大氣層焚毀,結(jié)束任務(wù),也是為了防止污染太空生物學(xué)家感興趣的木衛(wèi)二“歐羅巴”(Europa)。“朱諾”(Juno)目前正環(huán)繞木星探測,可能繼續(xù)運(yùn)行數(shù)年?!爸熘Z”的任務(wù)得以擴(kuò)展,部分是因?yàn)樵摵教炱饕恢边\(yùn)行在木星的較長軌道上。

  另一個(gè)任務(wù)是“新地平線”(New Horizons)。該探測器于2015年7月飛越冥王星,完成了主要任務(wù),目前正在執(zhí)行下一個(gè)任務(wù),即在2019年元旦飛越編號為2014 MU69的柯依伯帶(Kuiper Belt)天體。

  上周,“新地平線”團(tuán)隊(duì)宣布,計(jì)劃讓該航天器以“較近距離”飛越MU69:在飛越柯伊伯帶天體時(shí),“指定”軌道距離天體只有3500千米。如果觀察結(jié)果檢測到MU69附近存在碎片或其他危險(xiǎn),“新地平線”可能以更為遙遠(yuǎn)的距離(不少于一萬千米)飛越MU69。相比之下,“新地平線”飛越冥王星時(shí)的最近距離是約12500公里,鑒于MU69遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于冥王星,近距離飛越能夠提供更高分辨率的圖像和其他重要數(shù)據(jù)。

  “新地平線”首席專家艾倫?斯特恩(Alan Stern)表示,飛越探測將于2018年8月開始,并持續(xù)至2019年1月份的第一周。由于距離更遠(yuǎn),數(shù)據(jù)發(fā)回速率低于飛越冥王星后的數(shù)據(jù)發(fā)回速率,將花費(fèi)大約20個(gè)月的時(shí)間。

  MU69本身仍然是一個(gè)謎。到目前為止,人們只對它的亮度和顏色進(jìn)行了物理測量。

  然而,哈勃太空望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)能夠精確地測量MU69的光度,顯示天體自轉(zhuǎn)時(shí)亮度變化較小,意味著MU69在自轉(zhuǎn)時(shí)可能不會向地球展示截然不同的橫截面,或者人類只是在向下看著自轉(zhuǎn)軸?!?/p>

  2017年7月17日,趁MU69遮擋住一顆恒星時(shí),天文學(xué)家門在南非和阿根廷利用望遠(yuǎn)鏡觀察了該掩星(stellar occultations)事件。

  初步分析表明,MU69可能是一個(gè)不同尋常的天體。

  MU69 是一個(gè)雙瓣天體或者兩個(gè)天體——雙子天體。這兩個(gè)天體彼此繞轉(zhuǎn),恰好在此次掩星事件中發(fā)生重疊。

  2014年飛越MU69只是“新地平線”擴(kuò)展任務(wù)的一部分,整個(gè)擴(kuò)展任務(wù)持續(xù)至2021年,將對數(shù)十個(gè)其他柯伊伯帶天體進(jìn)行遠(yuǎn)距離觀察,并開展太陽物理學(xué)研究。

  “新地平線”有望在第二個(gè)擴(kuò)展任務(wù)中飛越另一個(gè)柯依伯帶天體。因攜帶的燃料和電力充足,“新地平線”還可再執(zhí)行第三或第四個(gè)擴(kuò)展任務(wù)。

  重訪“歐羅巴”

  為進(jìn)一步深入了解外太陽系天體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。NASA正在研制最早20世紀(jì)20年代初發(fā)射的“歐羅巴快帆”(Europa Clipper)探測器。“歐羅巴快帆”將環(huán)繞木星飛行并飛越歐羅巴數(shù)十次。歐洲航天局(ESA)正在研制自己的木星探測器,即“木星冰衛(wèi)星探測器”(Jupiter Icy Moons Explorer,JUICE),計(jì)劃2030年抵達(dá)木星,對木星及其衛(wèi)星“歐羅巴”、木衛(wèi)三“甘尼米德”(Ganymede)和木衛(wèi)四“卡里斯托”(Callisto)進(jìn)行研究。

  在研的木星探測任務(wù)中,野心最大的要數(shù)美國國會向NASA提出的歐羅巴著陸器。NASA已完成該任務(wù)的科學(xué)探測可行性研究。

  該任務(wù)雖然還處于初期階段,但NASA官員表示,歐羅巴著陸器任務(wù)已經(jīng)通過了2017年6月組織的任務(wù)概念評審。

  根據(jù)任務(wù)概念評審結(jié)果,NASA將繼續(xù)探索其他歐羅巴著陸器方案,繼續(xù)平衡風(fēng)險(xiǎn)、成本和科學(xué)回報(bào)之間的關(guān)系。

  所謂的平衡方法,包括犧牲一定程度的科學(xué)探測,減少任務(wù)的成本。一個(gè)更加精簡的任務(wù)概念,必然會放棄一定的科學(xué)性。

  這種平衡取舍可能會影響著陸器上的有效載荷儀器及著陸器的運(yùn)行方式。此外,收集較少的冰樣可以簡化任務(wù)方案,降低成本。

  NASA正在研究著陸器的成本,不打算很快就做出成本削減的決定,但拒絕透露任何估值,甚至是粗略的估值。人們推測,NASA在9月6日在“外行星評估小組”(OPAG)會議上提出的歐羅巴著陸器方案,成本約數(shù)十億美元。

  “歐羅巴快帆”也經(jīng)歷了類似的過程,最初是一個(gè)規(guī)模更大、成本更高的任務(wù)——“木星歐羅巴軌道器”(Jupiter Europa Orbiter, JEO),對歐羅巴開展環(huán)繞探測,但因成本太大,最終不得不簡化為歐羅巴多次飛越探測。

  目前,歐羅巴著陸器的經(jīng)費(fèi)情況不樂觀。白宮專注于“歐羅巴快帆”和另一個(gè)旗艦行星任務(wù)——“火星2020”,沒有將歐羅巴著陸器的經(jīng)費(fèi)納入NASA的2018年預(yù)算申請中。而眾議院版本的NASA支出法案既包括了“歐羅巴快帆”的資金,也包含了歐羅巴著陸器的資金。

  同時(shí),“旅行者”將繼續(xù)運(yùn)行,擁有足夠的電力運(yùn)行至2025年以后?!奥眯姓摺?1號曾拍攝一張著名的太陽系“全家?!闭掌?,其中地球就像一個(gè)暗淡的藍(lán)點(diǎn)。因此,“旅行者”不僅打開了外太陽系的大門,而且?guī)椭覀冋_認(rèn)識我們所處的世界,正如安?德魯伊(Ann Druyan)在四十周年紀(jì)念活動(dòng)中所說,“我們生活的世界只是太陽系的一個(gè)像素?!?/p>


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