近距离观察天王星：NASA提出的“冰巨人”任务能教给我们什么

旅行者2号于1986年1月14日拍摄的天王星图像。(Image credit: NASA/JPL)

（神秘的地球uux.cn）据美国太空网（By Charles Q. Choi）：研究人员说，前往天王星的任务现在是美国宇航局行星科学家未来任务的首要任务，对这个神秘的冰巨人的探索可能会揭示一种现在已知的宇宙中最常见的行星之一。

自从30多年前天文学家发现第一批围绕遥远恒星运行的系外行星以来，科学家们已经探测到的最常见的外星世界是冰巨人。顾名思义，像木星和土星这样的气体巨星主要是气体，而像天王星和海王星这样的冰巨星富含较重的元素。

关于天王星和海王星还有很多未知。尽管太阳系最内部的六颗行星——水星、金星、地球、火星、木星和土星——都有航天器围绕其轨道运行，为科学家收集见解，但迄今为止，天王星和海王星只在30多年前经历过一次飞越，这两次都是美国宇航局1986年和1989年的旅行者2号探测器。马里兰州约翰·霍普金斯大学应用物理实验室的行星科学家凯瑟琳·曼特告诉Space.com记者，这些短暂的相遇产生了诱人的行星视图，留下了比以前想象的更多的问题。

这种对冰巨人知识的缺乏导致行星科学界选择天王星任务作为美国国家科学、工程和医学科学院2023-2032年行星科学十年调查中美国宇航局下一个大规模“旗舰”任务的最高优先级。

“潜在的发现将是开创性的，就像卡西尼任务彻底改变了我们对土星、其卫星——特别是土卫六——及其光环的了解一样，”曼特说。

该提案涉及一个轨道飞行器来收集天王星的数据，以及一个探测器进入天王星的大气层，从内部扫描这颗行星。这项任务的目的是探索天王星和太阳系的其他部分是如何形成的，并帮助解决关于这颗行星、它的卫星和它的光环的谜团。建议这项任务至少持续五年。

天王星最奇怪的特征之一是，与太阳系的其他行星不同，天王星倾斜如此之大，以至于它基本上以其侧面围绕太阳旋转，其旋转轴几乎指向恒星。

“这种倾斜是疯狂的——它是太阳系中唯一完全侧着的行星，”Mandt说。

这种不寻常的方位可能是由于天王星形成后不久，与一个行星大小的天体或几个小天体发生了碰撞。“我们可以通过研究行星的组成及其内部结构来判断这是否属实，”曼特说。

天王星的侧向性质导致这颗行星在其84个地球年的轨道上经历极端的季节变化，这不同于太阳系的任何其他行星，小天文学家从地球上看到的世界无法解释他们所知道的天气模式。Mandt说，UOP可以帮助揭示天王星的大气层，探测器在一个位置收集详细的风和温度数据，轨道飞行器收集整个星球的信息。

天王星向一侧倾斜，科学家们不知道为什么。(Image credit: X-ray: NASA/CXO/University College London/W. Dunn et al; Optical: W.M. Keck Observatory)

天王星的倾斜也限制了天文学家对其卫星的观察。例如，旅行者2号只能拍摄天王星卫星的南半球。探测器确实看到了意想不到的东西。科学家预测天王星的五个最大的卫星是冰冷、死亡的世界，太小了，无法容纳它们产生时的热量，所有这些卫星都显示出近期表面活动的证据。这提高了一个或多个这样的卫星的可能性，如Ariel，Titania和Oberon，可能在冰壳下有潜在的可居住的液态水海洋。

UOP将对整个卫星表面进行成像，以搜索正在进行的地质活动。Mandt说，它还将测量它们的磁场是否因液态水的存在而在其内部发生变化。

此外，天王星周围有九个非常密集、狭窄的环，这表明“牧羊人卫星”的存在，其引力影响使这些环不会迅速扩散并失去其锋利的边缘。UOP可以帮助搜索这些额外的牧羊卫星，还可以分析意想不到的暗环粒子，这些粒子的成分明显不同于天王星卫星表面的成分。

天王星的任务可能不仅揭示了太阳系的起源和演化，也揭示了遥远行星系统的起源和演化。

“冰巨人有很多方法可以帮助我们了解系外行星，”Mandt说。“已经发现的最大的系外行星群之一在大小和质量上与天王星和海王星相似。我们想知道这些行星是由什么组成的，内部是如何构成的。我们还想更多地了解这颗行星的天气，以及它与类似的系外行星相比如何。”

随着时间的推移，巨行星形成并迁移，它们在其他世界的诞生和发展中扮演着重要角色。尽管科学家们已经近距离观察了太阳系的两颗气态巨行星，但他们还需要更多关于天王星和海王星的数据来重建太阳系的历史。Mandt说，UOP的探测器可以分析天王星大气中的氮同位素和惰性气体水平，以帮助验证哪种巨型行星形成和迁移模型可能是最准确的。

“我们可以在系外行星系统中看到证据，表明巨行星以许多不同的方式迁移——最明显的一种是热木星，它们必须在很远的地方形成，并移动到非常靠近它们的恒星的地方，”Mandt说。“了解我们的行星是如何形成和迁移的，有助于我们了解系外行星系统中发生了什么和没有发生什么。”

此外，天王星的磁场相当不寻常，因为它不仅与行星的旋转轴倾斜60度，而且偏离了行星的中心。曼特说，一颗行星如何产生这样的磁场仍然是个谜。

UOP被建议在2032年发射，以帮助航天器利用木星的巨大引力将其射向天王星。这意味着这项任务将在2050年天王星北半球秋分之前到达，确保卫星的完全可见性。2032年后的轨道不使用木星的引力，但仍然可以在春分之前到达，但将携带更少仪器的较小探测器送入轨道，或需要更长时间才能到达。

“我们将了解天王星是如何在哪里形成的，它是由什么组成的，以及它的内部是如何构成的，”曼特说。她补充说，天王星的任务也可能为它更遥远的表亲海王星铺平道路。

Mandt在2月17日发行的《科学》杂志上的一篇论文中详细描述了拟议的任务。