為什麼人類時隔30年,才計劃再次探測這顆藍色冰巨人星球

哪個行星繞太陽執行一週需要165年,有14顆衛星全部以海仙女命名,被超音速風蹂躪,而且只被航天器近距離拍攝過一次?眾所周知,那就是海王星。

為什麼人類時隔30年,才計劃再次探測這顆藍色冰巨人星球

儘管海王星是僅次於木星和土星的第三大行星,但海王星在太陽系的家庭相簿中並沒有多少特色。儘管海衛一(特里同)的表面下幾乎肯定有一個液態海洋。

自從美國宇航局的“旅行者2號”宇宙飛船近距離飛越海王星以來,已經30年了,這是人類第一次也是唯一的特寫鏡頭。1989年8月25日抵達,標誌著旅行者任務對太陽系四大行星——木星、土星、天王星和海王星——大巡演的結束,此後一直沒有回到海王星。與此同時,旅行者2號已經進入星際空間。

2011年,海王星完成了自1846年發現以來完成第一次165年沿軌道執行。

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“海王星和特里頓的三叉戟”任務

“我們已經有30年沒有訪問過海王星系統了,”月球和行星研究所所長路易絲·M·普羅克特博士說,他正在提議一項新的“海王星和特里頓的三叉戟”任務。“海王星和天王星,這兩個‘冰巨人’,基本上都是未經探索的,我們對它們知之甚少。”普羅克特提出《三叉戟》的論文,於2019年3月在德克薩斯州舉行的第50屆月球和行星科學會議上發表。

旅行者2號在海王星周圍發現了6顆新衛星和4個環,海王星被描繪成一個藍色氣體“巨人”,類似土星和木星。藍色是大氣中的甲烷氣體。來自旅行者2號的照片也顯示了一場巨大的風暴,它被稱為“大黑點”。然而,雖然伽利略、卡西尼和“新地平線”任務分別拍攝了木星、土星和冥王星的非常詳細的照片,但相對而言,旅行者2號的海王星和天王星的影象是相當基本的。

因此,雖然我們知道海王星上有暗帶和明亮的甲烷冰雲,以及氣旋性風暴,但只有一個專門的任務才能揭示實際驅動其大氣條件的物理細節。

天文學家湯姆·克爾斯(Tom Kerrs)說:“我們真正瞭解海王星的絕大多數來自旅行者——海王星光碟的所有特寫鏡頭和大照片都來自JPL的照片雜誌,該雜誌是在旅行者最終退出太陽系內部後編輯的。在倫敦格林威治皇家天文臺”旅行者2號大大增加了我們對海王星的瞭解,但自那以後,它就石沉大海,因為用望遠鏡觀察外行星是極具挑戰性的。

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由於夏威夷的凱克天文臺等大型地面望遠鏡,對海王星的天氣進行了一些研究,但就大氣特性而言,我們現在幾乎都來自旅行者2號。

海王星接收的太陽光量是地球的0。001倍。在這樣低光照的環境中,“旅行者2號”的相機不得不拍攝長時間的曝光照片。可悲的是,它的執行速度太快,拍攝的影象要保證清晰度話非常困難。因此,“旅行者2號”的推進器在離它最近的地方輕微點火,旋轉航天器以幫助照相機聚焦海王星。

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(上圖:旅行者2號宇宙飛船在快速接近與這顆巨大行星的相遇時,比以往任何時候都更詳細地展示了海王星藍綠色的大氣層。這幅彩色影象是在1600萬公里外拍攝的,)

與地球的距離也意味著美國宇航局在西班牙、澳大利亞、墨西哥和加利福尼亞的深空網路天線必須擴大到70米。海王星旅行者2號拍攝的照片花了四個小時才到達地球。

它曾被地面望遠鏡和哈勃太空望遠鏡(包括2019年3月發現“暗點2”)進行了研究,但從29AU的距離(AU為地球距離太陽的距離)對海王星的發現是有限度的。然而,海王星被長期忽視的原因有很多合理的原因。

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第一個是軌跡約束。只有每12年有一次“廉價”去海王星的機會。這基本上歸結到木星與海王星的相對定位。機器人探索的預算也有限,而遠至海王星是昂貴的。

然而,冥王星“新地平線號”任務的成功——它發現了太陽系中已知最大的冰川、一個藍色的大氣層,以及內部水冰海洋的證據——證明了一次短暫的飛行任務的價值。

這正是三叉戟任務的目的,不僅去海王星,它的目標實際上是海衛一(特里同),科學家懷疑海衛一的地質活動很活躍,而且幾乎肯定在其表面下面有一個海洋。三叉戟飛越,或多或少模擬了2015年冥王星的新地平線飛越,將在2026年發射後於2038年到達海王星。

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(上圖:旅行者1號和2號的飛行軌跡,原則上旅行者的任務已經結束。2004年底,旅行者1號距離地球140億公里,成為太空中最遙遠的人造物體。預計這兩個探測器仍將繼續工作。)

這些曲線將在2026年再次形成一條直線。“木星在2026年提供了有利的重力輔助機會,這使得彈道軌道相當簡單,”普羅克特說,“這不需要我們攜帶大量的推進劑,因此可以用小型運載火箭攜帶小型航天器發射升空,這是相對便宜的任務。”

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“如果沒有引力輔助,我們可能將不得不使用更大、更昂貴的運載火箭,“普羅克特說,”如果我們在2026年不發射,我們將不得不再等12年才能獲得有利的發射機會,或者乘坐規模更大、可能不太具有成本效益的運載火箭。木星每12年繞太陽執行一次,所以下一個機會是2038年發射,在2050年到達海王星。

還有另一個關鍵的原因,海王星為什麼在機器人飛船的範圍內。普羅克特說:“根據美國宇航局的探索計劃,首次允許使用核動力源。”“如果沒有核動力,我們將無法在離太陽這麼遠的地方執行,因為太陽能電池板技術目前只有10個AU左右的壽命。”

普羅克特說:“20世紀70年代和80年代旅行者號任務之所以如此成功,是因為它利用了這樣一個事實:所有太陽系外行星都大致對齊,所以兩個旅行者號宇宙飛船可以利用重力輔助來訪問它們。”

唯一的例外是冥王星,它離黃道平面太遠了(儘管它是原計劃的一部分)。“這種調整大約每 175 年才發生一次,因此這是一個絕佳的機會,”普羅克特補充道。