陈蓝:外太阳系探索列入航天白皮书,中国将成新玩家

来源:观察者网

2022-01-30 07:42

陈蓝

陈蓝作者

航天爱好者,英文电子杂志“Go Taikonauts”创办人之一

【文/观察者网专栏作者 陈蓝】

本月28日,国务院新闻办公室发布《2021中国的航天》白皮书。这份五年一度的白皮书介绍了2016年以来中国航天的进展和未来五年主要任务。其中谈到,中国将继续实施行星探测工程,发射小行星探测器、完成近地小行星采样和主带彗星探测,完成火星采样返回、木星系探测等关键技术攻关。论证太阳系边际探测等实施方案。

很多人可能还不知道,中国早已开始了外太阳系(火星轨道外)探测的预研。白皮书谈到的木星系和太阳系边际探测将是我国最先实施的两个外太阳系任务。从科学角度看,它们将比月球和火星探测更激动人心。

更早一点,本月6日,著名的专业科普杂志《科学美国人》网站刊出一篇文章,题为《中美科学家建议大胆的太阳系外任务》,介绍了计划中的美国“星际探测器”和中国“星际快车”日球层探测任务。它们将飞出180亿公里外的的太阳日球层边界,进入星际空间,将成为有史以来飞得最远的人类探测器。

《科学美国人》文章。来源:科学美国人

这样的文章在上世纪,甚至一二十年前都是无法想象的。那时美国的航天事业如日中天,深空探索遥遥领先,外太阳系(即火星轨道外)探测几乎是美国独家包办。美国的太阳系探索成果彻底改写了教科书。比如旅行者二号,它通过引力加速接连访问木星、土星、天王星和海王星,然后飞往太阳系外,几十年来不断发回令人震撼的照片和科学数据,几乎是神话般的存在。我们唯有仰望。突然看到美国人在报道人类最前沿、最先进的宇宙探索计划时将中美并列,一时竟有点不适应。回过神来,才意识到今天中国是真的强大了!

迄今为止,人类只执行过八次外太阳系探测任务。按时间次序,它们分别为:

1. 先驱者10号:1972年发射,木星飞掠

2. 先驱者11号:1973年发射,木星、土星飞掠

3. 旅行者1号:1977年发射,木星、土星飞掠

4. 旅行者2号:1977年发射,木星、土星、天王星、海王星飞掠

5. 伽利略号:1989年发射,木星轨道器

6. 卡西尼/惠更斯号:1997年发射,木星飞掠,土星轨道器,土卫六软着陆

7. 新地平线号:2006年发射,木星、冥王星、柯伊伯带天体飞掠

8. 朱诺号:2011年发射,木星轨道器

这里,只有卡西尼号携带的惠更斯号土卫六登陆器是欧洲研制的,其余均为美国制造,充分显示了美国在外太阳系的垄断地位。

旅行者2号。来源:NASA

未来十年,美国将继续发挥它在外太阳系的统治力。但欧洲和中国将对此发起挑战。

NASA计划的两个外太阳系探测任务已经正式立项。一个是“欧罗巴快帆”木星轨道器,属于约十年一次、预算超10亿美元的旗舰级任务。它将多次近距离飞掠木卫二(欧罗巴),重点探测其冰下海洋的生命迹象。它预期2024年发射,2030年到达。另一个是计划于2027年发射的“蜻蜓”土卫六(泰坦)着陆器/直升机。它属于约5年一次、预算5-10亿美元的新疆界级任务。这个项目非常惊艳。这架三米长的核动力四轴直升机计划在两年半中飞行20次,航程达180公里。更远期,NASA还有一个木卫二登陆器计划,很有希望成为下一个旗舰级任务。土卫六和木卫二是科学家认为太阳系内最有可能存在生命的星球。这几个任务的目的都是寻找生命。

欧罗巴快帆。来源:NASA

土卫六直升机。来源:NASA

和美国一样,计划于明年发射、欧洲第一个独立的外太阳系任务——“木星冰月探测器”(JUICE)目标也是寻找生命。它将先进入木星轨道,然后近距离飞掠木卫二、木卫三和木卫四,最终进入围绕木卫三的轨道。木卫三是太阳系中最大的卫星,也是唯一拥有磁场的卫星。它的冰盖下有一片海洋。

这使得它也具备了生命存在的必要条件。如果成功,它不仅将打破美国在外太阳系的垄断,其风头很可能会盖过稍后到达木星的美国“欧罗巴快帆”,因为木星冰月探测器将会是太阳系内第一个围绕地外卫星运转的人类探测器。

木星冰月探测器。来源:ESA

而中国的木星探测任务发射时间稍晚,预计在2029年左右。按照最新论文,中国木星探测器有两个可选方案:第一方案是木卫四环绕器(JCO, Jupiter Callisto Orbiter)将进入木卫四轨道并投放着陆器;第二方案是木星系观测器(JSO, Jupiter System Observer)将先靠近木卫一,观察其火山和地质活动,最终将停留在木日拉格朗日点长期观测木星系统。探测器的最终方案尚未选定,但肯定会采用核能供电和电推系统。这个探测器的技术难度和技术水平和美欧探测器在同一级别。中国有机会成为第一个软着陆木卫的国家。如果成功,我们可以自信地说,我们已经赶上了美国。

如果说欧洲是率先打破美国垄断,那么未来超越美国恐怕只有中国能够担当。中国计划中的海王星探测项目或将使美国黯然失色。这个探测器将在2030年由长征五号以及远征一号发射,2033年,木星引力加速,途中探测主带小行星和半人马小行星各一颗(将释放两颗纳卫星就近探测)。2040年,进入海王星轨道并释放两颗微卫星探测海王星和海卫一大气层,然后持续工作15年。它将成为将有史以来最远的地外行星轨道器,将采用的200千瓦热功率热管冷却快堆、10千瓦电功率温差发电、外行星深空全程电推(总推力320毫牛),全都是世界第一。

中国海王星探测器。来源:ESA

旅行者2号1989年飞掠海王星是人类对它仅有的一次近距离探测,但已经令人惊叹不已了。海王星和天王星是太阳系内已知仅有的两颗所谓的“冰行星”,其实它的表面是水、氨和甲烷混合的流体,只是温度低至约零下200度,才冠以冰一词。海卫一表面温度低达零下235度,却没撞击坑的痕迹。旅行者2号发现了它的表面物质喷发,显示了活跃的地质活动或冰下海洋活动。在远离太阳、几乎没有外部能量输入的地方,它的能量从何而来?它的大部分表面覆盖了一层薄薄的水冰和氮冰,有氮(重要生命物质)构成的极为稀薄的大气。它的冰下是否存在液体海洋?那里是否存在生命?这些谜团都有待揭开。

海王星探测器目前是国家航天局资助预研项目,中国最重要的北京上海两大航天器研制单位、中国原子能科学研究院、中国工程物理研究院、中科院空间科学中心、北大、北航、兰大这些重磅单位都参与了海王星探测器项目。事实上,中国近年成功的月球和火星探测经验,已经为外太阳系任务奠定了坚实的技术基础,现在中国不断增强的经济实力,也是大科学项目实施的重要保证。换句话说,海王星探测器项目虽然还没立项,技术难度和挑战也极大,但很有希望。

美国本来也有一个海王星探测项目,是一个近距飞掠海卫一的“三叉戟”探测器,但不知什么缘故,去年六月它在NASA的低成本“发现”系列深空探测项目中落选。中标的两个金星探测项目虽然有一定科学意义,但在探索的深度广度以及挑战工程极限方面和中国海王星探测器相比则略逊不止一筹。

让我们回到文首提到的太阳日球层任务,日球层是太阳风能够到达的空间区域,可类比地球大气层。它和星际介质之间存在一个边界,即日球层顶,此处太阳风和星际介质压力平衡。一旦越过日球层顶,周围就全是以氢原子为主组成的极其稀薄的的星际介质了。也有些天文学家并不认为这就是太阳系的边缘,因为外面还有一个受太阳引力影响、由大约1000亿颗彗星组成、半径约一光年的奥尔特云,也应该属于太阳系。太阳系正在移动,它正在穿越一个30光年大小的星际云,即本星际云。而本星际云外面是更大更稀薄、约1000光年大小的巨大空泡——本地泡。

插播一下,请看一下地球在宇宙中的简化版“地址”,就能感觉到宇宙有多大了:宇宙、KBC空洞、双鱼鲸鱼座超星系团复合体、拉尼亚凯亚超星系团、室女座超星系团、本星系群、银河系、猎户臂、本地泡、本星际云、太阳系、地球。

旅行者2号已经告诉我们,它所穿越的日球层顶距地球120天文单位(180亿公里)。但日球层的形状和不同方向的日球层顶距离仍然是一个谜团。科学家们非常迫切地想知道日球层的形状是怎样的,它在各个方向的尺度是多少。有人猜测它是羊角面包状的,也有人猜测是蝌蚪状的。有人认为它拉得很长,也有人认为它近圆形,弄清这些问题不仅能扩展我们的知识,也能对地球未来将面对的宇宙射线变化做出长期预测。

日球层和旅行者探测器当前位置示意图(图中heliopause意为日球层顶)。来源:NASA/JPL

人类已经发射的探测器中,有五架已经飞出或将要飞出日球层。但迄今为止,只有两架旅行者号在穿越日球层顶时还在工作,飞出太阳系后还能继续发回科学数据。然而,它们都不是为日球层探测而设计的,能够获取的日球层和星际空间的探测数据非常有限。中美的这两个计划则是专门为日球层探测设计的。

美国的“星际探测器”由约翰·霍普金斯大学应用物理实验室研制。它重860公斤,初步计划于2036年发射。它将以每小时6万公里的创纪录高速度离开地球,所以能在短短15年后到达旅行者1号花了35年才到达的日球层顶。本世纪末,它将超越旅行者号成为飞得最远的人类探测器。它的设计寿命是50年,届时将到达离开地球300天文单位(450亿公里)的地方。这是一个前所未有需要跨代规划的项目。

星际探测器。来源:NASA/APL

中国的“星际快车”由三个探测器组成。原定后年发射的第一和第二次任务采用两个小型探测器。它们飞行方向相反,将分别从鼻部(太阳前进方向)和尾部(太阳前进相反方向)飞出日球层。按计划,它们将借助地球、木星、海王星和柯伊伯带天体进行多次引力加速,并将在2049年建国100周年之际到达距地球约100天文单位(150亿公里)的日球层顶附近。探测器有化学推进和电推两种方案,可能的运载工具是长三乙或长五。不过,由于疫情影响,发射时间已相应推迟。

星际快车1、2号探测器。来源:中国科学


星际快车3号探测器。来源:中国科学

中国的第三个“星际快车”探测器计划在2030年左右发射。它是一个采用核反应堆动力的大型探测器。它的轨道则类似美国星际探测器,将垂直于太阳轨道平面,从太阳前进方向的侧面飞出日球层。我们需要突破一系列新技术,才能发展海王星轨道器采用相同的核动力航天器平台。

为了拍摄日球层的形状,中美的探测器都配备了“高能中性原子成像仪”。美国的星际探测器将从太阳前进方向的侧面飞出日球层并进行拍摄。而中国的星际快车将从前、后、侧面进行拍摄。这些不同角度的图像将帮助我们最终解开日球层形状之谜。这也将是历史上首次飞出太阳系后从外部回望我们的家园全貌,具有非凡的历史性意义,非常值得期待!

不管今后的世界发生什么变化,一个无法改变的事实是,中国正在崛起成为太阳系中的新玩家。太阳系的力量对比正在悄然发生变化。旅行者、伽利略、卡西尼孤独求败的时代已经翻篇了。不过,我们需要的耐心等待,因为外太阳系深空探索动辄以十年为单位。

在中美对峙愈演愈烈的今天,《科学美国人》文章的发表尤为难得,美国科学界展现的勇气值得肯定。其实,无论是日球层探测,还是木卫登陆、土卫直升机,或是海王星环绕,对科学家来说都同样激动人心,因为这是人类的共同进步,符合人类的共同利益。

飞出太阳日球层后回望,太阳已经变成星空中一颗点状的亮星,而地球用肉眼已经完全看不到。在这个位置上,地球上人类的恩怨和冲突已经彻底失去了意义。我们是同一个物种,要走向星辰大海,唯一的选择是精诚合作。

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责任编辑:沈玉萌
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