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外太陽系探測的過去和未來

2017-09-26
關鍵詞: 外太陽系

  【據航天評論網2017年9月11日報道】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,確保不會與土衛六“泰坦”(Titan)或土衛二“恩塞拉多斯”(Enceladus)等可能適宜居住的衛星相撞。

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

  9月5日,“旅行者”項目的資深科學家、噴氣推進實驗室前主任埃德斯通(Ed Stone),在國家航空航天博物館舉行的紀念 “旅行者”任務實施40周年的專家組會議上發表了講話,認為“旅行者”代表了人類最為雄心勃勃的發現之旅,是為人類留下了寶貴的“遺產”。

  “旅行者”的科學成果眾所皆知:詳細勘測了木星和土星,首次——目前唯一一次——近距離觀察了天王星和海王星及其衛星。“旅行者”至今仍在運行,測量太陽系附近或邊緣的磁場和顆粒環境。

  斯通認為,“旅行者”一次又一次地拓展人類對行星、光環、磁場和衛星的認識,為許多未來的外行星探測任務奠定基礎。

  自“旅行者”發射以來,外行星探測任務次數并不多。“伽利略”(Galileo)探測器對木星開展多年環繞探測,最終在2003年沖入木星大氣層焚毀,結束任務,也是為了防止污染太空生物學家感興趣的木衛二“歐羅巴”(Europa)。“朱諾”(Juno)目前正環繞木星探測,可能繼續運行數年。“朱諾”的任務得以擴展,部分是因為該航天器一直運行在木星的較長軌道上。

  另一個任務是“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,目前正在執行下一個任務,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”團隊宣布,計劃讓該航天器以“較近距離”飛越MU69:在飛越柯伊伯帶天體時,“指定”軌道距離天體只有3500千米。如果觀察結果檢測到MU69附近存在碎片或其他危險,“新地平線”可能以更為遙遠的距離(不少于一萬千米)飛越MU69。相比之下,“新地平線”飛越冥王星時的最近距離是約12500公里,鑒于MU69遠遠小于冥王星,近距離飛越能夠提供更高分辨率的圖像和其他重要數據。

  “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,并持續至2019年1月份的第一周。由于距離更遠,數據發回速率低于飛越冥王星后的數據發回速率,將花費大約20個月的時間。

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

  然而,哈勃太空望遠鏡已經能夠精確地測量MU69的光度,顯示天體自轉時亮度變化較小,意味著MU69在自轉時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軸。”

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

  初步分析表明,MU69可能是一個不同尋常的天體。

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

  2014年飛越MU69只是“新地平線”擴展任務的一部分,整個擴展任務持續至2021年,將對數十個其他柯伊伯帶天體進行遠距離觀察,并開展太陽物理學研究。

  “新地平線”有望在第二個擴展任務中飛越另一個柯依伯帶天體。因攜帶的燃料和電力充足,“新地平線”還可再執行第三或第四個擴展任務。

  重訪“歐羅巴”

  為進一步深入了解外太陽系天體的內部結構。NASA正在研制最早20世紀20年代初發射的“歐羅巴快帆”(Europa Clipper)探測器。“歐羅巴快帆”將環繞木星飛行并飛越歐羅巴數十次。歐洲航天局(ESA)正在研制自己的木星探測器,即“木星冰衛星探測器”(Jupiter Icy Moons Explorer,JUICE),計劃2030年抵達木星,對木星及其衛星“歐羅巴”、木衛三“甘尼米德”(Ganymede)和木衛四“卡里斯托”(Callisto)進行研究。

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

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

  根據任務概念評審結果,NASA將繼續探索其他歐羅巴著陸器方案,繼續平衡風險、成本和科學回報之間的關系。

  所謂的平衡方法,包括犧牲一定程度的科學探測,減少任務的成本。一個更加精簡的任務概念,必然會放棄一定的科學性。

  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行方式。此外,收集較少的冰樣可以簡化任務方案,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,成本約數十億美元。

  “歐羅巴快帆”也經歷了類似的過程,最初是一個規模更大、成本更高的任務——“木星歐羅巴軌道器”(Jupiter Europa Orbiter, JEO),對歐羅巴開展環繞探測,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,歐羅巴著陸器的經費情況不樂觀。白宮專注于“歐羅巴快帆”和另一個旗艦行星任務——“火星2020”,沒有將歐羅巴著陸器的經費納入NASA的2018年預算申請中。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,“旅行者”將繼續運行,擁有足夠的電力運行至2025年以后。“旅行者”-1號曾拍攝一張著名的太陽系“全家福”照片,其中地球就像一個暗淡的藍點。因此,“旅行者”不僅打開了外太陽系的大門,而且幫助我們正確認識我們所處的世界,正如安?德魯伊(Ann Druyan)在四十周年紀念活動中所說,“我們生活的世界只是太陽系的一個像素。”


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