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外太阳系探测的过去和未来

时间:2017年09月25日 信息来源:国防科技信息 点击: 【字体:

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【据航天评论网2017年9月11日报道】2017年9月15日,几乎耗尽燃料的“卡西尼”土星探测器冲入土星大气层焚毁,确保不会与土卫六“泰坦”(Titan)或土卫二“恩塞拉多斯”(Enceladus)等可能适宜居住的卫星相撞。


不久前,美国国家航空航天局(NASA)在准备终结“卡西尼”时,也为两颗寿命颇长的外太阳系探测器举行了庆祝活动。9月5日是“旅行者”-1号(Voyager 1)发射40周年纪念日。(“旅行者”-2号(Voyager 2)比1号提前两周多发射,但因沿着不同的轨迹飞行, “旅行者”-1号更早抵达木星和土星。)这两颗探测器仍然在轨运行,“旅行者”-1号甚至早已进入星际空间。


9月5日,“旅行者”项目的资深科学家、喷气推进实验室前主任埃德•斯通(Ed Stone),在国家航空航天博物馆举行的纪念 “旅行者”任务实施40周年的专家组会议上发表了讲话,认为“旅行者”代表了人类最为雄心勃勃的发现之旅,是为人类留下了宝贵的“遗产”。


“旅行者”的科学成果众所皆知:详细勘测了木星和土星,首次——目前唯一一次——近距离观察了天王星和海王星及其卫星。“旅行者”至今仍在运行,测量太阳系附近或边缘的磁场和颗粒环境。


斯通认为,“旅行者”一次又一次地拓展人类对行星、光环、磁场和卫星的认识,为许多未来的外行星探测任务奠定基础。


自“旅行者”发射以来,外行星探测任务次数并不多。“伽利略”(Galileo)探测器对木星开展多年环绕探测,最终在2003年冲入木星大气层焚毁,结束任务,也是为了防止污染太空生物学家感兴趣的木卫二“欧罗巴”(Europa)。“朱诺”(Juno)目前正环绕木星探测,可能继续运行数年。“朱诺”的任务得以扩展,部分是因为该航天器一直运行在木星的较长轨道上。


另一个任务是“新地平线”(New Horizons)。该探测器于2015年7月飞越冥王星,完成了主要任务,目前正在执行下一个任务,即在2019年元旦飞越编号为2014 MU69的柯依伯带(Kuiper Belt)天体。


上周,“新地平线”团队宣布,计划让该航天器以“较近距离”飞越MU69:在飞越柯伊伯带天体时,“指定”轨道距离天体只有3500千米。如果观察结果检测到MU69附近存在碎片或其他危险,“新地平线”可能以更为遥远的距离(不少于一万千米)飞越MU69。相比之下,“新地平线”飞越冥王星时的最近距离是约12500公里,鉴于MU69远远小于冥王星,近距离飞越能够提供更高分辨率的图像和其他重要数据。


“新地平线”首席专家艾伦•斯特恩(Alan Stern)表示,飞越探测将于2018年8月开始,并持续至2019年1月份的第一周。由于距离更远,数据发回速率低于飞越冥王星后的数据发回速率,将花费大约20个月的时间。


MU69本身仍然是一个谜。到目前为止,人们只对它的亮度和颜色进行了物理测量。


然而,哈勃太空望远镜已经能够精确地测量MU69的光度,显示天体自转时亮度变化较小,意味着MU69在自转时可能不会向地球展示截然不同的横截面,或者人类只是在向下看着自转轴。”


2017年7月17日,趁MU69遮挡住一颗恒星时,天文学家门在南非和阿根廷利用望远镜观察了该掩星(stellar occultations)事件。


初步分析表明,MU69可能是一个不同寻常的天体。


MU69 是一个双瓣天体或者两个天体——双子天体。这两个天体彼此绕转,恰好在此次掩星事件中发生重叠。


2014年飞越MU69只是“新地平线”扩展任务的一部分,整个扩展任务持续至2021年,将对数十个其他柯伊伯带天体进行远距离观察,并开展太阳物理学研究。


“新地平线”有望在第二个扩展任务中飞越另一个柯依伯带天体。因携带的燃料和电力充足,“新地平线”还可再执行第三或第四个扩展任务。

重访“欧罗巴”


为进一步深入了解外太阳系天体的内部结构。NASA正在研制最早20世纪20年代初发射的“欧罗巴快帆”(Europa Clipper)探测器。“欧罗巴快帆”将环绕木星飞行并飞越欧罗巴数十次。欧洲航天局(ESA)正在研制自己的木星探测器,即“木星冰卫星探测器”(Jupiter Icy Moons Explorer,JUICE),计划2030年抵达木星,对木星及其卫星“欧罗巴”、木卫三“甘尼米德”(Ganymede)和木卫四“卡里斯托”(Callisto)进行研究。


在研的木星探测任务中,野心最大的要数美国国会向NASA提出的欧罗巴着陆器。NASA已完成该任务的科学探测可行性研究。


该任务虽然还处于初期阶段,但NASA官员表示,欧罗巴着陆器任务已经通过了2017年6月组织的任务概念评审。


根据任务概念评审结果,NASA将继续探索其他欧罗巴着陆器方案,继续平衡风险、成本和科学回报之间的关系。


所谓的平衡方法,包括牺牲一定程度的科学探测,减少任务的成本。一个更加精简的任务概念,必然会放弃一定的科学性。


这种平衡取舍可能会影响着陆器上的有效载荷仪器及着陆器的运行方式。此外,收集较少的冰样可以简化任务方案,降低成本。


NASA正在研究着陆器的成本,不打算很快就做出成本削减的决定,但拒绝透露任何估值,甚至是粗略的估值。人们推测,NASA在9月6日在“外行星评估小组”(OPAG)会议上提出的欧罗巴着陆器方案,成本约数十亿美元。


“欧罗巴快帆”也经历了类似的过程,最初是一个规模更大、成本更高的任务——“木星欧罗巴轨道器”(Jupiter Europa Orbiter, JEO),对欧罗巴开展环绕探测,但因成本太大,最终不得不简化为欧罗巴多次飞越探测。


目前,欧罗巴着陆器的经费情况不乐观。白宫专注于“欧罗巴快帆”和另一个旗舰行星任务——“火星2020”,没有将欧罗巴着陆器的经费纳入NASA的2018年预算申请中。而众议院版本的NASA支出法案既包括了“欧罗巴快帆”的资金,也包含了欧罗巴着陆器的资金。


同时,“旅行者”将继续运行,拥有足够的电力运行至2025年以后。“旅行者”-1号曾拍摄一张著名的太阳系“全家福”照片,其中地球就像一个暗淡的蓝点。因此,“旅行者”不仅打开了外太阳系的大门,而且帮助我们正确认识我们所处的世界,正如安•德鲁伊(Ann Druyan)在四十周年纪念活动中所说,“我们生活的世界只是太阳系的一个像素。”


(作者:中国航天系统科学与工程研究院 孔紫琴 李金钊)
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