近距離觀察天王星：NASA提出的“冰巨人”任務(wù)能教給我們什么
旅行者2號于1986年1月14日拍攝的天王星圖像。(Image credit: NASA/JPL)
（神秘的近距教地球uux.cn）據(jù)美國太空網(wǎng)（By Charles Q. Choi）：研究人員說，前往天王星的離觀任務(wù)現(xiàn)在是美國宇航局行星科學(xué)家未來任務(wù)的首要任務(wù)，對這個神秘的察天冰巨人的探索可能會揭示一種現(xiàn)在已知的宇宙中最常見的行星之一。
自從30多年前天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)第一批圍繞遙遠(yuǎn)恒星運行的王星務(wù)系外行星以來，科學(xué)家們已經(jīng)探測到的提出最常見的外星世界是冰巨人。顧名思義，冰巨人像木星和土星這樣的近距教氣體巨星主要是氣體，而像天王星和海王星這樣的離觀冰巨星富含較重的元素。
關(guān)于天王星和海王星還有很多未知。察天盡管太陽系最內(nèi)部的王星務(wù)六顆行星——水星、金星、提出地球、冰巨人火星、近距教木星和土星——都有航天器圍繞其軌道運行，離觀為科學(xué)家收集見解，但迄今為止，天王星和海王星只在30多年前經(jīng)歷過一次飛越，這兩次都是美國宇航局1986年和1989年的旅行者2號探測器。馬里蘭州約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實驗室的行星科學(xué)家凱瑟琳·曼特告訴Space.com記者，這些短暫的相遇產(chǎn)生了誘人的行星視圖，留下了比以前想象的更多的問題。
這種對冰巨人知識的缺乏導(dǎo)致行星科學(xué)界選擇天王星任務(wù)作為美國國家科學(xué)、工程和醫(yī)學(xué)科學(xué)院2023-2032年行星科學(xué)十年調(diào)查中美國宇航局下一個大規(guī)模“旗艦”任務(wù)的最高優(yōu)先級。
“潛在的發(fā)現(xiàn)將是開創(chuàng)性的，就像卡西尼任務(wù)徹底改變了我們對土星、其衛(wèi)星——特別是土衛(wèi)六——及其光環(huán)的了解一樣，”曼特說。
該提案涉及一個軌道飛行器來收集天王星的數(shù)據(jù)，以及一個探測器進(jìn)入天王星的大氣層，從內(nèi)部掃描這顆行星。這項任務(wù)的目的是探索天王星和太陽系的其他部分是如何形成的，并幫助解決關(guān)于這顆行星、它的衛(wèi)星和它的光環(huán)的謎團(tuán)。建議這項任務(wù)至少持續(xù)五年。
天王星最奇怪的特征之一是，與太陽系的其他行星不同，天王星傾斜如此之大，以至于它基本上以其側(cè)面圍繞太陽旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)軸幾乎指向恒星。
“這種傾斜是瘋狂的——它是太陽系中唯一完全側(cè)著的行星，”Mandt說。
這種不尋常的方位可能是由于天王星形成后不久，與一個行星大小的天體或幾個小天體發(fā)生了碰撞。“我們可以通過研究行星的組成及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)來判斷這是否屬實，”曼特說。
天王星的側(cè)向性質(zhì)導(dǎo)致這顆行星在其84個地球年的軌道上經(jīng)歷極端的季節(jié)變化，這不同于太陽系的任何其他行星，小天文學(xué)家從地球上看到的世界無法解釋他們所知道的天氣模式。Mandt說，UOP可以幫助揭示天王星的大氣層，探測器在一個位置收集詳細(xì)的風(fēng)和溫度數(shù)據(jù)，軌道飛行器收集整個星球的信息。
天王星向一側(cè)傾斜，科學(xué)家們不知道為什么。(Image credit: X-ray: NASA/CXO/University College London/W. Dunn et al; Optical: W.M. Keck Observatory)
天王星的傾斜也限制了天文學(xué)家對其衛(wèi)星的觀察。例如，旅行者2號只能拍攝天王星衛(wèi)星的南半球。探測器確實看到了意想不到的東西。科學(xué)家預(yù)測天王星的五個最大的衛(wèi)星是冰冷、死亡的世界，太小了，無法容納它們產(chǎn)生時的熱量，所有這些衛(wèi)星都顯示出近期表面活動的證據(jù)。這提高了一個或多個這樣的衛(wèi)星的可能性，如Ariel，Titania和Oberon，可能在冰殼下有潛在的可居住的液態(tài)水海洋。
UOP將對整個衛(wèi)星表面進(jìn)行成像，以搜索正在進(jìn)行的地質(zhì)活動。Mandt說，它還將測量它們的磁場是否因液態(tài)水的存在而在其內(nèi)部發(fā)生變化。
此外，天王星周圍有九個非常密集、狹窄的環(huán)，這表明“牧羊人衛(wèi)星”的存在，其引力影響使這些環(huán)不會迅速擴(kuò)散并失去其鋒利的邊緣。UOP可以幫助搜索這些額外的牧羊衛(wèi)星，還可以分析意想不到的暗環(huán)粒子，這些粒子的成分明顯不同于天王星衛(wèi)星表面的成分。
天王星的任務(wù)可能不僅揭示了太陽系的起源和演化，也揭示了遙遠(yuǎn)行星系統(tǒng)的起源和演化。
“冰巨人有很多方法可以幫助我們了解系外行星，”Mandt說。“已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的最大的系外行星群之一在大小和質(zhì)量上與天王星和海王星相似。我們想知道這些行星是由什么組成的，內(nèi)部是如何構(gòu)成的。我們還想更多地了解這顆行星的天氣，以及它與類似的系外行星相比如何。”
隨著時間的推移，巨行星形成并遷移，它們在其他世界的誕生和發(fā)展中扮演著重要角色。盡管科學(xué)家們已經(jīng)近距離觀察了太陽系的兩顆氣態(tài)巨行星，但他們還需要更多關(guān)于天王星和海王星的數(shù)據(jù)來重建太陽系的歷史。Mandt說，UOP的探測器可以分析天王星大氣中的氮同位素和惰性氣體水平，以幫助驗證哪種巨型行星形成和遷移模型可能是最準(zhǔn)確的。
“我們可以在系外行星系統(tǒng)中看到證據(jù)，表明巨行星以許多不同的方式遷移——最明顯的一種是熱木星，它們必須在很遠(yuǎn)的地方形成，并移動到非常靠近它們的恒星的地方，”Mandt說。“了解我們的行星是如何形成和遷移的，有助于我們了解系外行星系統(tǒng)中發(fā)生了什么和沒有發(fā)生什么。”
此外，天王星的磁場相當(dāng)不尋常，因為它不僅與行星的旋轉(zhuǎn)軸傾斜60度，而且偏離了行星的中心。曼特說，一顆行星如何產(chǎn)生這樣的磁場仍然是個謎。
UOP被建議在2032年發(fā)射，以幫助航天器利用木星的巨大引力將其射向天王星。這意味著這項任務(wù)將在2050年天王星北半球秋分之前到達(dá)，確保衛(wèi)星的完全可見性。2032年后的軌道不使用木星的引力，但仍然可以在春分之前到達(dá)，但將攜帶更少儀器的較小探測器送入軌道，或需要更長時間才能到達(dá)。
“我們將了解天王星是如何在哪里形成的，它是由什么組成的，以及它的內(nèi)部是如何構(gòu)成的，”曼特說。她補充說，天王星的任務(wù)也可能為它更遙遠(yuǎn)的表親海王星鋪平道路。
Mandt在2月17日發(fā)行的《科學(xué)》雜志上的一篇論文中詳細(xì)描述了擬議的任務(wù)。 |
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