天王星是一個孤獨的世界。近四十年前，當旅行者 2 號探測器飛掠其雲層頂部 81,800 公里範圍內時，這顆冰巨星迎來了一位匆匆的訪客。該探測器拍攝了數千張行星照片——揭示了一個神秘的世界，並提出了比答案更多的問題——然後加速飛向外太陽系。此後沒有探測器再次前往那裡。“天王星系統是我們地圖上剩下的巨大空白之一，”加州大學聖克魯茲分校的行星科學家弗朗西斯·尼莫說。但這可能即將改變。
去年，美國國家科學、工程和醫學院釋出了一項十年調查，呼籲 NASA 將其下一個大型“旗艦”任務傳送到冰巨星。具體而言，該調查建議一項 42 億美元的任務，將探測器送入天王星軌道多年，幷包括一個探測器，該探測器將衝入這顆行星的大氣層——這將最終幫助科學家更好地瞭解我們太陽系的起源和演化，以及銀河系中最常見的行星型別。但所有轟動效應中最大的可能潛伏在天王星最大的衛星深處，這些衛星與外太陽系中許多其他冰冷天體一樣，可能蘊藏著液態水的地下海洋。
隨著天王星現在進入 NASA 的視野，全球行星科學家在過去一年中進行了激烈的辯論——討論了該任務的關鍵科學以及任何需要事先回答的關鍵問題。他們仍然充滿希望但又務實。國會尚未撥款，時間正在流逝。該任務需要在不到十年的時間內發射，以便在天王星春分時到達這顆冰巨星，屆時太陽將完全照亮這顆行星及其光環和衛星。對於如此規模的任務來說，計劃和執行的時間非常少，尤其是在太空機構已經被一項天文數字般的待辦事項清單壓得喘不過氣的情況下。
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然而，這再重要不過了：如果任務到達得太晚，行星和衛星的部分割槽域將重新陷入黑暗。我們的答案也將如此。
誘人的暗示
當旅行者 2 號飛掠天王星時，它揭示了一顆翻倒的乳白色藍色大理石，與太陽系中的任何其他行星都不同。這顆行星的上層大氣層非常寒冷——以至於模型無法解釋為什麼更遙遠的海王星實際上比天王星更溫暖。它被十幾個神秘的光環環繞，並擁有至少 27 顆衛星——其中一些衛星是由各種材料拼接而成，就像月球版的弗蘭肯斯坦怪物。但最奇怪的或許是，這顆冰巨星在其歷史上的某個時刻被撞倒了，使其側臥著旋轉。“這一定是一次非常壯觀的事件，就像地球上形成月球的撞擊一樣——但規模更大，”尼莫說。
為了更好地理解這次碰撞，科學家們希望深入瞭解這顆行星的雲層頂部之下。由於這次事件可能撞擊了天王星的內部，因此能夠探測行星引力場波動的軌道飛行器將能夠繪製出巨大撞擊造成的任何內部異常。此外，科學家們還想更好地瞭解古代碰撞可能如何仍然影響著這顆行星的大氣層。一個側臥的世界將經歷極端季節，其中一極沐浴在陽光下，而另一極則在黑暗中凍結。由於天王星每 84 年繞太陽公轉一次，因此這些季節持續數十年——並以科學家們無法想象的方式影響大氣層，對化學、雲層和環流模式產生影響。因此，軌道飛行器將進行全球觀測，而探測器將深入大氣層本身，在更深的深度進行測量。
對這顆行星進行如此詳細的觀測將有助於科學家們不僅瞭解天王星及其冰巨星同伴海王星的起源和歷史，而且瞭解我們太陽系的演化和宇宙背景。這兩個世界可能在早期都發生了遷移，這將改變它們在太陽周圍的位置，並將富含水的彗星傾瀉到地球和其他內行星上。更廣泛地說，天王星和海王星都可能代表一種行星類別，這種類別在整個銀河系中都很豐富。大約 50% 的已知系外行星是冰巨星大小的。
軌道飛行器還將向外觀察，拍攝這顆行星微弱的光環——據一些估計，這些光環似乎違反了物理定律。與土星環一樣，天王星的光環也由無數冰粒子組成，這些粒子可以被行星及其衛星的引力相互作用所塑造。但天王星的光環比科學家們認為正常情況下可能出現的光環要窄得多。可以將它們想象成一個半徑為 50,000 公里的圓環，邊緣寬度僅為 10 公里。“這不應該發生，”愛達荷大學的行星科學家馬修·赫德曼說。“粒子應該相互碰撞並擴散開來。有什麼東西將物質保持在特定的位置。” 可能是巢狀在光環中的小衛星。可能是天王星內部的引力不對稱。或者可能是光環根本沒有像我們認為的那樣擴散開來。“可能我們遺漏了一些基本的東西，”赫德曼說。
天王星的“弗蘭肯斯坦”衛星天衛五米蘭達的鑲嵌照片，由旅行者 2 號探測器在 1986 年飛掠這顆冰巨星行星期間收集的影像製作而成。 圖片來源：NASA/JPL/USGS
雖然一些科學家將使用軌道飛行器來尋找小型牧羊衛星，但另一些科學家將仔細研究這顆行星的較大衛星。“旅行者號提供的衛星表面影像與我們預期的完全不同，”約翰·霍普金斯大學應用物理實驗室的行星科學家凱瑟琳·曼特說。以天衛五米蘭達為例，這顆衛星佈滿了深邃的裂縫、麻點狀的平原和相交的山脊，默默地證明了很久以前曾被撕裂，然後又被拙劣地拼湊在一起。米蘭達的拼圖狀性質暗示了地殼很薄弱——因此相對溫暖。事實上，它足夠溫暖，以至於可能不需要挖掘太深就能達到高於水冰熔點的環境溫度。因此，海洋可能潛伏在米蘭達和其他雜亂無章的天王星衛星內部。為了驗證這種誘人的可能性，軌道飛行器將監測衛星的磁場，以檢視磁場是否因液態水的內部晃動而發生變化。它還將拍攝衛星的完整表面影像，以尋找正在進行的地質活動——旅行者 2 號未能做到這一點。
當那艘具有歷史意義的探測器在 1986 年掠過這顆冰巨星時，它只看到了每顆衛星的一半。當時，這顆行星及其眾多衛星正處於南半球夏至，南極完全被照亮，而北極則籠罩在黑暗中。“在天王星的那些衛星上，有些區域是人類或機器人之眼從未見過的，”英國萊斯特大學的行星科學家利·弗萊徹說。自然，科學家們希望下一次天王星任務在春分時到達該系統，屆時陽光將從北極到南極沐浴整個行星及其衛星。這個日期是 2050 年。雖然這聽起來似乎還很遙遠，但一項任務需要相對較快地啟動，才能穿越到達天王星的遙遠距離。事實上，十年調查建議在 2032 年之前發射該任務——這個時間表允許探測器利用木星巨大的引力來加速飛向天王星，並在春分之前到達，從而可以全面觀察這個劃時代的季節性轉變。
與太陽賽跑
要趕上 2032 年的發射期限，需要付出巨大的努力。科學界是否能在不到十年的時間內做好準備，這是一個懸而未決的問題。如果不能，科學家們將面臨錯過機會，無法欣賞到該系統完整的壯麗景象——這尤其令人擔憂，因為下一次機會將要等到 2091 年。
“沃爾瑪的貨架上沒有現成的天王星軌道飛行器，您可以刷信用卡購買並組裝起來，”行星學會的太空政策主管凱西·德雷爾說。雖然十年調查建議的探測器看起來類似於 NASA 非常成功的卡西尼任務，該任務從 2004 年到 2017 年探索了土星系統，但冰巨星是另一種截然不同的野獸。科學家們需要關於這顆行星上層大氣層的更好的望遠鏡資料，然後才能設計降落傘和隔熱罩，以保護探測器並將其減速到最大限度地提高科學價值的進入速度。他們還需要在從上層大氣層到光環之間的區域尋找危險碎片——該任務必須穿越該區域才能成功進入天王星軌道。因此，包括詹姆斯·韋伯太空望遠鏡在內的許多天文臺將在未來幾年內將目光轉向天王星。
“由於從我們地球的有利位置研究天王星要困難得多，我們需要在我們的大型、昂貴、一生只有一次機會的探測器真正到達那裡之前，盡我們所能地利用我們所有的武器來表徵環境，”弗萊徹說。
然而，最終，NASA 天王星任務成敗的關鍵因素不是望遠鏡觀測或火箭技術，而是資金。在 NASA 上個月初發布的總統預算申請中，該機構表示，甚至要到 2025 年才會為該任務申請資金，此後申請的資金額將適度增長。“這不會讓您在 2032 年發射，”德雷爾說。
儘管如此，行星科學界相信太空機構最終將啟動這項任務，原因很簡單，美國聯邦政府傳統上認為十年調查建議是神聖不可侵犯的。例如，上次調查建議該界優先考慮兩個旗艦任務——一個從火星返回樣本，另一個探索木星的冰冷衛星木衛二。這兩項優先事項都已轉化為實際任務。但這種不可侵犯的十年規模“待辦事項”清單也存在問題。由於已經有兩個旗艦任務正在進行中，並且排在天王星任務之前，NASA 的行星科學部門正承受著巨大的預算壓力。“這是一項非凡的承諾，”德雷爾說。他說，火星樣本返回計劃尤其令人擔憂，因為這項複雜任務的多個階段（和數十億美元的預算）涉及國際合作夥伴在相對有時限的期限內運作。對於這樣的任務，一些超支和延誤似乎是不可避免的，並且可能對預算過於緊張的行星科學專案組合產生災難性影響。“正因為如此，增加天王星旗艦任務的資金將是困難的——不是不可能，而是困難的，”他說。
此外，火星和木星並不是行星陣容中唯一的地點。NASA 即將啟動前往金星、土星衛星土衛六泰坦，甚至一顆遙遠的小行星的任務——這將使工作人員達到極限。例如，原計劃與小行星會合的靈神星任務在 2022 年 6 月被推遲，部分原因是人員不足。探測器已準備好發射，火箭也已就位，天氣也晴朗。但是沒有足夠的工作人員及時充分測試探測器的軟體。“這是豐富的過度，”聖路易斯華盛頓大學的行星科學家威廉·麥金農說。“我們有已批准的任務，我們有人才，我們有絕佳的目標。但是，試圖一次性啟動所有事情已被證明是一項挑戰。”
儘管如此，麥金農和他的同行們仍然希望，一旦前往木衛二的任務發射，它將開啟一個缺口——無論是在工作人員方面還是在預算方面——以專注於天王星。德雷爾指出，“僅僅因為它現在感覺有些悲觀，並不意味著它不會改變。” 他指出了 NASA 的木衛二任務，現在稱為木衛二快船。在 2010 年代的大部分時間裡，該太空機構的預算一直在縮減；訪問木衛二將有打破預算的風險，並且被普遍認為是一個幾乎不可能實現的夢想——至少在任務的許多科學倡導者找到一位出人意料的政治支持者，即當時的德克薩斯州共和黨眾議員約翰·卡爾伯森之前是這樣的，他幾乎獨自為這項工作撥款數億美元。今天，木衛二快船號已準備就緒，等待明年 10 月發射。
時間會證明冰巨星是否也會找到它們的擁護者。“這是一場艱苦的戰鬥，但我們以前也這樣做過，”德雷爾說。“我們不應該僅僅假設在我們從天王星任務中獲得資料之前，我們就會入土為安。”