揭开天王星及其冰冷的秘密：美国国家航空航天局将从一次野外任务中学到什么

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天王星是太阳系中最冷的行星。信用:美国国家航空航天局/JPL

（）据对话（迈克·索利）：天王星是太阳的第七颗行星，在太阳系外围运行，距离地球约20亿英里(32亿公里)。这是一个巨大的世界——直径是地球的四倍，质量是地球的15倍，体积是地球的63倍。

超过35年没有被宇宙飞船访问过，天王星位于我们太阳系中探索最少的区域之一。尽管自1986年旅行者2号飞越以来，科学家们已经从望远镜观察和理论工作中了解了一些情况，但这颗行星仍然是一个谜。

很容易把太阳系分成两大组:一个是有四颗岩石行星的内层，一个是有四颗巨行星的外层。但是大自然一如既往地更加复杂。天王星和海王星，太阳的第八颗行星，与其他行星有很大的不同。两者都是冰巨人，主要由水、冰、氨和甲烷等化合物组成；它们是平均温度为零下320到零下350华氏度(零下212摄氏度)的地方。

通过最近对系外行星的发现——距离我们太阳系数万亿英里之外的世界——天文学家了解到冰巨人在整个银河系都很常见。它们挑战了我们对行星形成和演化的理解。天王星离我们比较近，是我们了解它们的基石。

新任务

航天界的许多人——像我一样——正在敦促美国国家航空航天局发射一艘机器人宇宙飞船去探索天王星。事实上，2023年行星科学家十年调查将这样的旅程列为新美国国家航空航天局旗舰任务的最高优先事项。

这一次，宇宙飞船不会像旅行者2号那样，简单地飞过天王星，飞往别处。取而代之的是，探测器将花费数年时间环绕并研究这颗行星，它的27个卫星和13个环。

你可能会奇怪，为什么把飞船送到天王星而不是海王星。这是轨道结构的问题。由于这两颗行星在未来二十年的位置，从地球出发的宇宙飞船将比海王星更容易到达天王星。在正确的时间发射，轨道飞行器将在大约12年后到达天王星。

这里有一些天王星轨道飞行器可以帮助回答的基本问题:天王星到底是由什么组成的？为什么天王星向一侧倾斜，在夏天它的两极几乎直接指向太阳——这与太阳系中的所有其他行星都不同？是什么产生了天王星奇怪的磁场，形状与地球不同，并且与行星旋转的方向不一致？大气环流是如何作用于一个冰巨人的？所有这些问题的答案告诉我们冰巨人是如何形成的？

尽管自旅行者2号飞越以来，科学家在这些和其他问题上取得了进展，但没有什么可以替代从轨道航天器上直接、近距离和重复的观察。

光环和那些卫星

天王星周围的光环可能由肮脏的冰构成，比土星周围的光环更薄更暗。天王星轨道飞行器将在其中寻找“涟漪”，类似于湖面上的波浪。找到它们将让科学家们把光环作为一个巨大的地震仪来帮助我们了解天王星的内部，这是它最大的秘密之一。

这些卫星大多以莎士比亚和蒲柏作品中的文学人物命名，主要由冰和岩石的混合物冻结而成。其中五颗卫星尤其引人注目。米兰达、爱丽儿、翁布里尔、泰坦尼娅和奥伯龙都大到足以成为球形，它们本身就被视为微型世界。

在飞越期间，旅行者2号拍摄了卫星南半球的低分辨率图像。(它们的北半球仍未被发现，仍然是我们太阳系未被探索的主要前沿之一。)这些图像包括阿里尔上的冰火山照片——这是过去地质和构造活动的诱人线索，可能还有地下水。



米兰达是一个多坑多景的世界，它是天王星的卫星，可能是一个海洋世界。鸣谢:美国国家航空航天局/JPL加州理工学院

海洋和生命的可能性

这导致了任务中最令人兴奋的部分之一:许多行星科学家提出理论，认为Ariel，也许是其他五个卫星中的大多数或全部，可能是一个海洋世界，在固体，冰冷的表面下几英里处有巨大的地下液态水。找出任何一颗卫星是否有海洋是这项任务的主要目标之一。

这就是为什么轨道飞行器可能会携带磁力计的一个原因——当它的一个卫星穿过天王星的磁场时，探测地下海洋的电磁相互作用。测量卫星重力场的仪器和研究其表面地质的照相机也会有所帮助。

正如我们所知，液态水是生命的基本需求。如果探测到了海洋，科学家们将会寻找月球上生命的其他成分——比如能量、营养和有机物。

没有成交

这项任务的发射日期还没有确定，美国国家航空航天局也没有正式批准其资助。成本可能会超过十亿美元。

要考虑的一个关键因素是:宇宙按照自己的时间表运行，这些航天器到天王星的轨迹会随着行星沿着它们的轨道运行而改变。理想情况下，美国国家航空航天局将在2031年或2032年发射一次任务，以最大限度地方便轨迹和最小化旅行时间。这个时间跨度比看起来要短；为发射做好准备需要数年的计划——以及更多年的航天器建造。这就是为什么现在是时候开始这个过程，并资助这个迷人的世界的使命。