天王星藏着什么样的秘密？

天王星，是距离太阳的第七颗行星，只有旅行者2号飞船在1986年飞掠时见过它的真面目。如今，科学家打算重新仔细研究这颗行星及其卫星。供图：NASA/JPL

撰文：NADIA DRAKE

天王星可能是太阳系里最奇怪的行星。历史上的某一刻，这颗冰巨星遭到撞击，导致它一直侧身旋转。天王星有十几个光环，约27颗卫星，大气由氢、氦和更重的化合物组成，它们以冰的形式存在于寒冷的天王星云层深处。

但除了这些有趣的现象外，科学家对这个淡蓝色世界知之甚少。1986年，旅行者2号飞船首次造访天王星，也是唯一一次。不过这种情况也许很快就会改变。

本周，行星科学家发布的一份报告建议NASA在未来十年内，把探索天王星作为首要任务，最早可能在2031年发射宇宙飞船到天王星，当然也许会遇到无数无法避免的笑话。

“我认为，我们将在那里收获惊喜，了解行星形成的大量信息，可能发现新的海洋世界，”巨行星报告小组的主席、康奈尔大学的Jonathan Lunine说。

这两张天王星的照片由夏威夷的凯克二号望远镜拍摄，从中可以看到这颗行星神秘大气的细节。天王星的北极（图中右侧）呈现出类似风暴的特征，赤道附近环绕着罕见的扇形云。供图：LAWRENCE SROMOVSKY, PAT FRY, HEIDI HAMMEL, IMKE DE PATER/UNIVERSITY OF WISCONSIN-MADISON

天王星的一大诱惑在于，它（和太阳系的另一颗冰巨星海王星）可能是银河系里最常见的行星类型的代表。科学家认为，揭开天王星的谜团，比如奇特的磁场、被遮蔽的内部结构、令人惊讶的低温，对于了解银河系的冰巨星和太阳系的历史至关重要。

这项任务名为“天王星轨道飞行器和探测器”，计划释放一个小型探测器来探测天王星的大气层，同时轨道飞行器围绕天王星系统飞行多年。这与NASA的卡西尼号任务相似，2004年至2017年，卡西尼号成功探索了土星系统。

“这项任务将会获得丰厚的回报，几乎涉及行星科学的每个领域，”大学天文研究协会的行星天文学家Heidi Hammel说。在我们的视频通话中，她身后挂着一只天王星毛绒玩具，在挂断之前，这只毛茸茸的蓝色星球和我成功击掌。“我很高兴，”Hammel说。

未来的星际飞船

每隔十年，行星科学领域会针对未来十年优先探索和研究的方向，提出一系列建议。NASA和美国国家科学基金会将以最终文件，即“行星科学十年调查”为指导，决定资助哪些项目。

上一份行星科学十年调查发表于2011年，建议优先考虑多方面火星样本返回任务。NASA的毅力号探测器目前正在完成这项任务的第一阶段，横穿这颗红色星球的表面，收集和存储火星岩石和泥土，最终返回地球。2011年的调查还建议探测木星的冰封卫星木卫二，这是太阳系中最有希望找到生命的地方之一。因此诞生了欧罗巴快船，预计将于2024年发射。

在上一份行星科学十年调查中，天王星任务的优先级排在第三位。

“连续两次十年调查都建议去天王星，这是件好事，”Hammel说：“这体现了一致性，体现了行星科学界回到天王星系统的愿望。”

2022年的十年调查强调了在太阳系寻找地球以外的生命的重要性，尤其是地下生命，这意味着生物体可能存活于火星地表之下，或者其他行星的卫星的海洋中。“NASA应该加快发展和验证预备任务的生命探测技术，”十年调查联合主席、西南研究院的Robin Canup在报告简报中说道。土卫二是土星的冰封卫星，它的地下海洋中可能有一个繁荣的生物圈。探测土卫二是排名第二的新旗舰任务，虽然可能21世纪50年代才能实现，那时的条件更利于探测有地质喷发现象的南极。

不过，据我们所知，天王星不太可能存在生命；在2022年的报告中，它的项目优先级最高。

“很显然，关于有待探索和发现的事物，天王星是最佳选择，”Lunine说：“我认为它本就应该是一项任务。”

土卫二是土星的卫星之一，被认为是新旗舰任务的第二优先目标。卡西尼号飞船拍下了这颗冰封小卫星，如果科学家发射新的飞船前往天王星，那么会发现它的卫星也有类似细节。供图：NASA/JPL/SPACE SCIENCE INSTITUTE

寒冷的天王星

天王星得名于希腊的夜空之神乌拉诺斯，可能是了解几千颗围绕恒星运行的行星的关键，其中很多与这颗冰巨星差不多大。

“天王星可能是最常见的系外行星类型的代表，而我们对它知之甚少；从天王星系统获得的任何科学知识都非常珍贵，”圣路易斯华盛顿大学的行星科学家Paul Byrne在邮件中写道：“我迫不及待地想看到这个任务启动。”

我们不知道天王星在什么时候、如何翻转，以及这样一颗不平衡的行星又是如何维持有序的卫星系统。关于天王星的内部结构，为什么它比海王星温度低得多，科学家知之甚少。旅行者号观察了这颗行星的磁场，发现它“非常扭曲、偏移，而且是倾斜的，”Hammel说。

在过去几十年里，哈勃空间望远镜和地球上的天文台已经在天王星的光环中发现了奇怪的热特征，星球表面爆发出明亮的云、极光和强风。2003年，科学家甚至还发现了更多卫星。

这项计划可能耗资高达42亿美元，将大幅提升我们对天王星系统的了解。根据计划，将有一个探测器将穿过这颗行星的大气层，详细测量其组成情况。还有一个更大的轨道飞行器，搭载着多种科学仪器，用多年时间观察天王星及其光环和卫星。

“很多卫星看上去都很神奇，表面有活动的迹象，”Canup说。

天王星的卫星以威廉·莎士比亚和亚历山大·蒲柏作品中的人物命名，其中天卫五米兰达很奇怪。它是到目前为止，太阳系里最诡异的卫星之一，看上去就像委员会设计的，景观仿佛随便拼凑起来的。我们甚至不知道这颗弗兰肯斯坦似的卫星背面的样子，旅行者号的模糊图像只拍到了这个小世界的一半。

也许更重要的是找到是否有一些冰封卫星环绕着天王星，比如天卫三和天卫四，或者地壳之下是否有藏着海洋，比如木卫二和土卫二。这些海洋的底部可能是岩石，Lunine说，与更靠近太阳的卫星相比，它们可能含有更丰富的有机物质，就我们所知，这是生命所必需的。

“如果天王星的一个或多个卫星有海洋，这可太好了！”Lunine说。

等待天王星

行星科学家要多等一段时间才能近距离观察天王星，因为飞船需要几年，甚至几十年才能抵达外太阳系。

按照设计，天王星轨道飞行器和探测器将于2031年至2038年或者更晚些时候，利用行星排列成直线，搭载SpaceX公司的猎鹰重型火箭发射。一旦进入太空，最快需要约13年飞船才能进入天王星轨道，这意味着最早也要到21世纪40年代中期。

Hammel等人用相对零散的数据，研究这些冰巨星多年；这项任务可能在他们停止专业研究后姗姗来迟，用Hammel的话说，那时她已经在养老院里了，对此他们并不沮丧。

“这项任务不是为了我，而是为了下一代，”Hammel说：“20年前，我可能会说，我真的想要这个，我想在退休前抵达天王星。现在我的想法变了。我希望我能在退休前看到它发射，因为这样我就能知道，它会实现的。 ”

(译者：Sky4)