自从第一颗人造地球卫星——“史波尼克”发射以来,行星探测经历了许多成功与失败。特别是35年前美国停止了“阿波罗”探月计划以来,期间尽管有空间探测计划,但鲜有大科学项目。对此,美国国家研究委员会(NRC)—评估小组对已经进行过的和正在进行的空间计划梳理后提出了新的行星探测目标——
世界上第一颗人造卫星“史波尼克”准备发射
对于出生在空间探测时代的孩子而言,1957年以前有关对太阳系含糊不清地描述着实让人震惊。那时的人类对于太阳系的了解真是少之又少,既不知道火星上的大火山,也不了解其上的峡谷;与之相比,珠穆朗玛峰像是一座荒凉的小丘、美国大峡谷更像是路边的壕沟。那时猜测,金星云层之下可能是一片雾气笼罩的茂密丛林,抑或是一片干旱贫瘠的沙漠;也可能是一片充满碳酸水的海洋,又或者可能是一个有着巨大沥青的深坑——几乎是你能想象到的任何事物,但唯独想象不到它的真实面目:一个巨大的布满火山的荒岛,四处流淌着的熔岩就如同诺亚方舟的洪水一样。对土星的了解也是知之甚少:它有两个很不清晰的光环。时至今日我们已经能看到成百上千个光环中的细小环影;而对土星的卫星我们也了解的不多,并非像今天我们所知的那样充满甲烷湖泊和尘埃喷口。
自从第一颗人造地球卫星——“史波尼克”发射以来,行星探测经历了许许多多地成功与失败。例如,1980年代对于月球探测而言是人类无法企及的,然而现在的行星探测得到了越来越多地发展:世界各国空间计划的十几个探测器已经遍及了从水星到冥王星的整个太阳系空间。但是预算的削减、成本的超支等原因一度成为美国航空航天局(NASA)空间探测计划的障碍。自35年前尼克松停止“阿波罗”探月计划以来,在沉寂了相当一段时间后(期间尽管有空间探测计划,但鲜有大科学项目),目前NASA总算又重新启动了它的新空间探测计划(目标)。
原则上说这应该是件好事。不但机器人探测器可以在太阳系中四处行走,而且载人空间计划也不再像是出了故障的火箭推进器那样行踪不定。美国总统乔治·布什(George W.Bush)在2004年公布了一个清晰而极具挑战的目标——即要让月球和火星的上布满人类的足迹。尽管非议不断,但是这个目标的提出却让NASA有了新的方向。对此,美国国家研究委员会(NRC)一评估小组梳理了世界上进行过和正在进行的行星探测计划后提出了新的目标。下面是他们认为需要优先发展的5大空间探测任务。
1.地球气候的监控
行动计划
·下一个10年将为NRC提出的17颗新卫星提供资金(预计每年为5亿美元)
·建立一个主管气候事务的部门
在环绕火星及探究金星浓密大气的同时,人们时常把亟需对地球的观测看成是最为平常无奇的事了。NASA与美国海洋和大气管理局(NOAA)在这方面实在是太“随波逐流”了。2005年,NRC评估小组警告“环境监测卫星系统有灭绝的可能性”。因为NASA从地球科学项目中挪走了6亿美元用于航天飞机和空间站的花费。与此同时,美国国家极轨运行环境卫星系统的建造也严重超支,不得已砍掉了一些用来探测全球变暖的仪器,如测量入射太阳辐射和出射红外辐射的设备。
其结果是,用于地球观测系统的20余颗卫星会在其后继者上天以前超出设计寿命。科学家和工程师们认为,这些卫星可以继续工作,但时间很有限。“我们或许可以坚持,但现在我们更需要一个新的计划,”NASA戈达德航天中心气候和辐射部项目主管罗伯特·卡哈兰(Robert Cahalan)说:“你不能到了卫星出故障后才做出行动。”
如果新的卫星没上天,而运行中的卫星又无法正常工作的话,会在数据采集上留下盲点,使得对观测对象的变化趋势难以辨别。比如,一个仪器观测到太阳比原先观测的亮一些,这究竟是太阳真的增亮还是由于仪器没有校准而造成的?除非不同的卫星能在时间上彼此覆盖,否则科学家就无法告诉你谁是谁非。从1972年起开始监控地球表面的Landsat系列卫星曾受到业内人士的好评,然而这些年来也出现了一些故障,为此,美国农业部不得不购买印度卫星的数据来监控庄稼的收成。而对于一些较为特殊的数据而言,更是没有其他的国家能填补这些空白。
NRC评估小组提出,要填补未来10年用于支持17个新项目运转所需的资金,诸如用于预测气候变化及其他效应而监控冰层和二氧化碳浓度的项目。问题是气候观测处于NOAA(日常气象监测)和NASA最先进的科学之间。NASA戈达德空间研究中心的气候学家德鲁·欣戴尔(Drew Shindell)说:“有一个根本的问题,那就是没有人能够负责气候的监测”,并建议将政府的多个气候研究计划统一到一个部门,该部门根据情况可以决定研究的方向。
2.小行星的防范
行动计划
·通过使用专门的空间红外望远镜把小行星的搜索范围拓展到更小的天体
·尝试使用可以控制的方式将小行星转向
·建立一个官方的系统来评估潜在的小行星撞击的危险
像气候监控一样,对地球遭到小行星撞击的防范看来也进退两难。NASA和欧洲空间局(ESA)都没有接到设法使人类免遭小行星撞击的指令。与此最为相关的要数NASA的空间防御巡天计划(用来搜寻地球附近直径几千米的小天体),但是还没有人对此类小天体进行较为系统的搜寻。地球若招致这种小天体的撞击后果不堪设想,估计有大约2万个这类小天体会对地球造成局部的破坏。目前还没一个专门评估这种风险的机构,假设我们的技术已经成熟,那么建立一个抵抗来犯小天体的防御系统至少要花上15年甚至更长的时间,但问题是我们的技术还相差甚远。NASA艾姆斯研究中心的航天工程师拉里·莱姆克(Larry Lemke)说:“现在美国在这方面并没有一个全方位的计划”。
美国陆地卫星Landsat 美国正在研发大口径全景巡天望远镜(LSST)
今年3月,美国国会让NASA公布一个报告,这或许是此类计划的先河。报告分析表明,对于直径100～1000米小天体的搜寻可以由大口径全景巡天望远镜(LSST)来进行。8月LSST的一份报告指出,按照目前的设计,LSST可以在2014年至2024年的10年中发现80%的来犯天体。如果有额外的1亿美元投入的话,就可以发现90%的这类天体。
尽管如此,就像其他地面设备一样,在设计上LSST也存在盲区,只能在黄昏或黎明时观测到正好位于地球轨道前后的小天体(也是最危险的小天体,很容易消失在太阳的光线之中)。同时LSST只能根据小行星的亮度间接地估算其质量。由于可见光的限制,这一估算会相差1～2倍(一颗质量大却暗弱的小行星会被误认为一颗小而亮的小行星)。莱姆克说:“如果要精确评估事态轻重缓急的话,这个差异就显得至关重要”。
为了弥补这些不足,NASA考虑建造一架耗资5亿美元的红外望远镜,并将其放到围绕太阳公转的轨道上。通过在多个波段上研究小天体,可在20%的精度下确定其质量,由此可发现任何一个对地球造成威胁的小天体。美国喷气推进实验室的行星科学家、报告的起草者之一唐纳德·约曼斯(Donald Yeomans)说:“如果你想做到这一点,就必须进行红外波段的观测”。
另一个问题是,如果有一颗小行星已经在通往撞击地球的路上该怎么办?更为重要的是,为了使距离地球1个地球半径远处的小行星转向,就必须在10年前想办法使其速度每秒减慢1毫米。2004年,ESA的近地天体计划顾问小组建议进行相关的试验。这个耗资4亿美元的计划被称为“堂·吉诃德”(Don Quijote),将在小行星上安装一个400千克的推进器以观其变。
美国将发射MSL火星车(左图),欧洲空间局计划研制ExoMars火星车
通过火箭撞击效应对抛射出的碎片施加一个外力,但是没人确切地知道这个力究竟有多大。而“堂·吉诃德”的目的就在于此。德国航天中心的阿兰·哈里斯(Alan Harris)说,届时“你会发现运动撞击策略是否能奏效”。为了避免将小行星推入和地球相撞的轨道,科学家们会选择一个距离较远的天体来进行实验。
今年春天,ESA已经完成了一系列的可行性研究,但是由于缺乏资金而不得不就此罢手。如果能联合NASA或者是日本宇宙航空研究开发机构(JAXA),或者三者联合的话,那么有可能将这一计划实施。
3.新生命的找寻
行动计划
·把采集火星样本并返回地球纳入计划
·加速重返木卫二和土卫六
在“史波尼克”人造卫星上天以前,科学家认为太阳系或许是一个生命的摇篮。但结果却事与愿违——地球以外其他行星的环境极其恶劣——发现火星布满了环形山且“海盗”号着陆器也没有发现一个有机分子。然而最近不断呈现出火星上可能存有生命的踪迹,火星又一次成为了寻找生命的希望。包括两个巨行星的卫星,特别是木卫二和土卫六,似乎有着巨大的地下海洋以及大量的生命原始物质。即便是金星,也可能曾经也被海洋覆盖过。
就火星而言,NASA采取了“跟踪”的策略。也就是说不直接寻找有机物本身,而是寻找过去或者现在出现过的有机物的踪迹。今年8月发射的“凤凰”号火星探测器,预计明年6、7月着陆到从未被探测过的火星北极地区。“凤凰”号并不是一辆火星车,而是一架固定的着陆器——有着一个专门用来研究浅层中的冰沉积物并且可以挖掘几厘米土壤的机械臂。NASA的下一步计划是,在2009年底将耗资15亿美元的火星科学实验室(MSL)发射升空,1年之后到达火星。2013年ESA也计划发射ExoMars火星车,它装备了与“海盗”号相似的化学实验室和一个钻探平台(可深入火星地下两米)。或许为了躲避火星表面的有毒物质,在火星表层下可能会幸存一些有机物。
然而从火星带回一些岩石和土壤到地面分析,并不仅仅为了寻找生命,更是为了深入了解整个太阳系(就像“阿波罗”计划从月球采集岩石和土壤一样),即使少量的样本,也可以使我们了解火星的许多未解之谜(NASA原计划使这个耗资巨大的MSL计划至少推迟到2024年)。
对于木卫二而言,科学家想做的是发射一个绕其运行的轨道飞行器,进而测量它的形状和引力场是如何抵制木星的潮汐力。如果存在海洋的话,它的表面就会周期性地上升或下降(30米);如果没有海洋的存在,它的表面变化在1米左右。磁强计和探地雷达都能用来探测海洋,同时照相设备也会用来绘制木卫二的表面图,这些都为最终的着陆探测做好了准备。
对于土卫六,很自然地“卡西尼”计划之后的项目是轨道飞行器加表面着陆器的模式。土卫六有着与地球类似的大气,这为热气球探测提供了可能。热气球可以深入到土卫六大气底层获取岩石和土壤。美国亚利桑那大学的乔纳森·卢宁(Jonathan Lunine)说,这一探测是为了“分析表层的有机物,从而确定是否存在开始自组织的系统趋势——这也是人们认为地球上最为原始生命形成的方式。”今年1月,NASA仔细研究了这些计划,并决定明年将在木卫二和土卫六之间做出选择——大约10年后会有一个耗资20亿美元的探测器飞向其中的一个。
或许最终地球是生命的唯一源泉,毫无疑问这会让人倍感孤独,然而这并不意味着所有的努力都付之东流。美国科罗拉多大学天体生物学中心主任布鲁斯·贾科斯基(Bruce Jakosky)说:“我觉得天体生物学比寻找生命更有意义”。或许这能够搞清楚是否可能出现不同的生命形式,包括先决条件是什么以及40亿年前我们的地球又是如何从无生命状态到有生命状态的。因此,这些搜寻并不仅仅是寻找我们宇宙中的同伴那样简单,而是为了更加深入了解人类自身以及生命的起源。
4.对行星起源的解释
Juno木星轨道飞行器
行动计划
·从彗核、月球以及金星采集样本并带回地球
与生命的起源类似,行星的起源同样是一个极其复杂的过程。木星是在太阳系中第一个形成的天体,此后不断影响其他天体的形成。那么它是像其他行星一样慢慢形成的、还是像小型恒星那样在引力作用下塌缩而成的?此外,木星反常的重元素含量是否暗示了它形成时距离太阳较远而形成后才向内迁移的?如果是的话,在此过程中木星会抛掉许多比它小的天体。或许NASA计划在2011年发射的Juno木星轨道飞行器能够解释这些问题。
对于关心行星形成的人而言,同时也会注视“星尘”计划的结果,这一计划采集了位于彗星周围(彗发)的尘埃样本并返回了地球。“我们所涉猎的仅仅是沧海一粟,”星尘计划小组负责人、华盛顿大学的唐纳德·布朗利(Donald Brownlee)说,“样本显示,彗星从整个太阳系中俘获了大量早期的物质,然后这些物质被封于冰中几十亿年。在样本中还发现了许多来自太阳系内外,甚至是破裂的类冥王星天体的惊人物质。”目前JAXA正计划直接采样于彗核。
另一个研究对象就是地球的卫星——月球。将由环形山计数得到的月球相对年龄和由“阿波罗”计划以及前苏联采集的月球样本得出的绝对年龄联系起来,月球是了解早期太阳系撞击历史的“罗塞塔石碑”(一块制作于公元前196年的石碑,刻有3种铭文,文字学家凭借这些铭文揭开了古埃及的文明与历史)。然而1960年代的着陆器只到达了月球有限的几个地方,直到目前还没有探测器到达月球上的艾肯盆地(一座位于月球背面的巨大环形山)。目前NASA正在考虑利用机器人从那里采集样本,预计耗资5亿美元。
太阳系的又一独特之处在于主小行星带中的小行星似乎先于火星形成,然而火星又早于地球形成,这就暗含了或许是从木星开始由外向内形成了太阳系的行星。但是金星也处于形成之中吗?“我们对此毫无线索,”美国加州大学圣克鲁兹分校的行星专家道格·林(Doug Lin)说。在酸云、高压和高温下,金星并不适合着陆器的着陆。2002年NRC的一个评估小组曾建议,发射一个用于采集样本的气球探测器,然后该探测器上升到一个温度较低的高度对样本进行分析或者干脆把样本送回地球。
在很大程度上,研究行星的起源会与研究生命的起源相重叠。对此贾科斯基说:“处于可栖息地带内边界的金星和可栖息地带外边界的火星而言,地球刚好处于这两者之间。对这些行星之间差异的了解是探究太阳系以外生命的最为重要的前提。”
5.冲出太阳系
欧洲拟启动宇宙愿景计划
行动计划
·要开始探究、发展和测试星际探测器技术
两年前,“旅行者”号空间探测器遭受了一次资金危机。当时NASA表示可能不得不中断“旅行者”号计划,但随后引发的不满又使该计划得以继续。之前,人类还从未涉猎到“旅行者”1号所到过的如此之远的地方,目前的距离为103个天文单位(AU),即日地距离的103倍,而且每年还会增加3.6个天文单位。在2002年～2004年,“旅行者”1号进入了太阳系的神秘多层边界区域(在此边界内,太阳的外流粒子和星际气体的内流粒子发生碰撞)。
“旅行者”号是用来研究外太阳系行星而并非是研究星际空间的,而且它的钚电池也马上要用完了。长期以来,NASA一直想发射一个专门的探测器,而NRC2004年的一份关于太阳物理的报告也认为,NASA应该开始向这一目标前进。
未来的探测器应该具有以下的功能:可以测量星际粒子中氨基酸含量,从而计算出太阳系中有多少复杂有机物是来自太阳系外的;寻找小型黑洞或者暗物质的反物质粒子;边界层是如何对物质进行筛选的,其中还包含会影响地球气候的宇宙线;探测磁场是否存在于附近的星际空间之中,这也是了解恒星形成的当务之急。
这个探测器就像是一架小型的空间望远镜,在进行宇宙学观测而不受太阳系尘埃的干扰。它也可以用来研究“先驱者”号工作是否正常:存在一个作用于“先驱者”11号和12号上的无法解释的力,使得这两个位于太阳系深处的探测器运行出现异常。并且可以确切地找到遥远恒星的光线汇聚到一点的地方,以此验证爱因斯坦的广义相对论。
若想在一个科学家(和钚能源)的生命之中到达距离我们几千个天文单位的地方,这就意味着探测器必须以每年15个天文单位的速度飞行。大致来说,助推方案可分为大、中、小三种:核反应驱动的离子引擎、钚发生器驱动的离子引擎或太阳帆。
2005年由美国密歇根大学的托马斯·祖布辛(Thomas Zurbuchen)和约翰·霍普金斯大学应用物理实验室的拉尔夫·麦克纳特(Ralph McNutt)领导的两个小组分别决定实施一个大型(3.6吨)和一个中型(1吨)项目。然而小型项目成功的可能性更大,为此,ESA目前正在考虑由德国基尔大学的罗伯特·维那-施万格鲁伯(Robert Wimmer-Schweingruber)提出的宇宙视野(Cosmic Vision)计划。
一个重为500千克的航天器将由一个200米宽的太阳帆推动。该航天器从地球上发射后,首先飞向太阳,在到达水星轨道后尽可能地往水星靠,从而利用强烈的太阳光以推动自己朝向外太阳系飞行。就如同是一块帆板,太阳帆通过倾向一侧或者另一侧来控制自己的飞行方向。在即将穿过木星轨道前,航天器会甩掉太阳帆,继续向外飞行。因此,一个非常轻巧的太阳帆设计亟需工程师的智慧,此外应先在一个小型的计划中检验一下。
“这样一来,一个由ESA或者NASA所领导的空间计划将会是我们空间探测的当务之急,”维那-施万格鲁伯说,“毕竟,相对于我们近邻而言还存在着有待探测的更为广阔的空间。”预计的资金大约是20亿美元,其中还包括30年的运作经费。对太阳系其他行星的探究,可以帮助我们了解地球是如何在更大范围上起作用的;而对星际环境的探究,也同样会使我们了解在大尺度上太阳系的影响。