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我们该回海王星了,美国国家航空航天局的照片已经有30年的历史了

2019-09-10 08:39:45

哪个行星绕太阳公转一周需要165年,有14颗卫星全部以海仙女命名,被超音速风蹂躏,而且只被航天器近距离拍摄过一次?众所周知,那就是海王星。

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海王星

尽管海王星是仅次于木星和土星的第三大行星,但海王星在太阳系的家庭相册中并没有多少特色。尽管海卫一(特里同)的表面下几乎肯定有一个液态海洋。

自从美国宇航局的"旅行者2号"宇宙飞船近距离飞越海王星以来,已经30年了,这是人类第一次也是唯一的特写镜头。1989年8月25日抵达,标志着旅行者任务对太阳系四大行星——木星、土星、天王星和海王星——大巡演的结束,此后一直没有回到海王星。与此同时,旅行者2号已经进入星际空间。

2011年,海王星完成了自1846年发现以来第一次完成165年绕太阳运行。

我们是不是该回去了?

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“海王星和特里顿的三叉戟”任务

“我们已经有30年没有访问过海王星系统了,”月球和行星研究所所长路易丝·M·普罗克特博士说,他正在提议一项新的“海王星和特里顿的三叉戟”任务。“海王星和天王星,这两个‘冰巨人’,基本上都是未经探索的,我们对它们知之甚少。”普罗克特提出《三叉戟》的论文,于2019年3月在德克萨斯州举行的第50届月球和行星科学会议上发表。

美国宇航局在30年前了解到了什么?

旅行者2号在海王星周围发现了6颗新卫星和4个环,海王星被描绘成一个蓝色气体“巨人”,类似土星和木星。蓝色是大气中的甲烷气体。来自旅行者2号的照片也显示了一场巨大的风暴,它被称为"大黑点"。然而,虽然伽利略、卡西尼和"新地平线"任务分别拍摄了木星、土星和冥王星的非常详细的照片,但相对而言,旅行者2号的海王星和天王星的图像是相当基本的。

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(上图:1989年夏天,美国宇航局的“旅行者2号”成为第一个观测海王星的航天器,海王星是它的最终行星目标。旅行者2号经过海王星北极上方约4950公里(3000英里),离任何行星最近地方拍摄。)

因此,虽然我们知道海王星上有暗带和明亮的甲烷冰云,以及气旋性风暴,但只有一个专门的任务才能揭示实际驱动其大气条件的物理细节。

黑暗中的三十年

天文学家汤姆·克尔斯(Tom Kerrs)说:"我们真正了解海王星的绝大多数来自旅行者——海王星光盘的所有特写镜头和大照片都来自JPL的照片杂志,该杂志是在旅行者最终退出太阳系内部后编辑的。在伦敦格林威治皇家天文台"旅行者2号大大增加了我们对海王星的了解,但自那以后,它就石沉大海,因为用望远镜观察外行星是极具挑战性的。

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由于夏威夷的凯克天文台等大型地面望远镜,对海王星的天气进行了一些研究,但就大气特性而言,我们现在几乎都来自旅行者2号。

为什么旅行者2在海王星艰难进行

海王星接收的太阳光量是地球的0.001倍。在这样低光照的环境中,"旅行者2号"的相机不得不拍摄长时间的曝光照片。可悲的是,它的运行速度太快,拍摄的图像要保证清晰度话非常困难。因此,“旅行者2号”的推进器在离它最近的地方轻微点火,旋转航天器以帮助照相机聚焦海王星。

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(上图:旅行者2号宇宙飞船在快速接近与这颗巨大行星的相遇时,比以往任何时候都更详细地展示了海王星蓝绿色的大气层。这幅彩色图像是在1600万公里外拍摄的,)

与地球的距离也意味着美国宇航局在西班牙、澳大利亚、墨西哥和加利福尼亚的深空网络天线必须扩大到70米。海王星旅行者2号拍摄的照片花了四个小时才到达地球。

为什么海王星被忽略了30年?

它曾被地面望远镜和哈勃太空望远镜(包括2019年3月发现"暗点2")进行了研究,但从29AU的距离(AU为地球距离太阳的距离)对海王星的发现是有限度的。然而,海王星被长期忽视的原因有很多合理的原因。

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第一个是轨迹约束。只有每12年有一次“廉价”去海王星的机会。这基本上归结到木星与海王星的相对定位。机器人探索的预算也有限,而远至海王星是昂贵的。

然而,冥王星“新地平线号”任务的成功——它发现了太阳系中已知最大的冰川、一个蓝色的大气层,以及内部水冰海洋的证据——证明了一次短暂的飞行任务的价值。

这正是三叉戟任务的目的,不仅去海王星,它的目标实际上是海卫一(特里同),科学家怀疑海卫一的地质活动很活跃,而且几乎肯定在其表面下面有一个海洋。三叉戟飞越,或多或少模拟了2015年冥王星的新地平线飞越,将在2026年发射后于2038年到达海王星。

那为什么不现在就走呢?

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(上图:旅行者1号和2号的飞行轨迹,原则上旅行者的任务已经结束。2004年底,旅行者1号距离地球140亿公里,成为太空中最遥远的人造物体。预计这两个探测器仍将继续工作。)

这些曲线将在2026年再次形成一条直线。"木星在2026年提供了有利的重力辅助机会,这使得弹道轨道相当简单,"普罗克特说,"这不需要我们携带大量的推进剂,因此可以用小型运载火箭携带小型航天器发射升空,这是相对便宜的任务。"

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“如果没有引力辅助,我们可能将不得不使用更大、更昂贵的运载火箭,"普罗克特说,"如果我们在2026年不发射,我们将不得不再等12年才能获得有利的发射机会,或者乘坐规模更大、可能不太具有成本效益的运载火箭。木星每12年绕太阳运行一次,所以下一个机会是2038年发射,在2050年到达海王星。

核问题

还有另一个关键的原因,海王星为什么在机器人飞船的范围内。普罗克特说:“根据美国宇航局的探索计划,首次允许使用核动力源。”“如果没有核动力,我们将无法在离太阳这么远的地方运行,因为太阳能电池板技术目前只有10个AU左右的寿命。”

旅行者2号大巡演的奇迹

普罗克特说:"20世纪70年代和80年代旅行者号任务之所以如此成功,是因为它利用了这样一个事实:所有太阳系外行星都大致对齐,所以两个旅行者号宇宙飞船可以利用重力辅助来访问它们。"

唯一的例外是冥王星,它离黄道平面太远了(尽管它是原计划的一部分)。"这种调整大约每 175 年才发生一次,因此这是一个绝佳的机会,"普罗克特补充道。

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