天王星的怪癖和隐藏特征让天文学家对直接探测任务充满期待

在我们太阳系附近，有一个行星家族我们还没有好好认识过：冰巨星天王星和海王星。多亏了旅行者号任务的飞越，我们才打过招呼，也认识它们的面孔——但我们从未停下来拜访过它们。现在，行星科学家决定制定一个姗姗来迟的计划，走过去按门铃参观一下它们的房子。

2022 年行星科学十年调查是美国国家科学、工程和医学院制定的一份具有影响力的未来任务规划文件，该文件建议 NASA 优先考虑在未来几十年向天王星发射轨道器和探测器。过去这一进程的成果已经启动了 2020 年代一些最激动人心的项目，包括火星样本返回和即将到来的欧罗巴快船任务。

太阳系中有八颗行星和无数小岩石可供探索，规划者怎么可能只选定一个目的地呢？尤其是当这个决定涉及数百万甚至数十亿美元，并影响数百人的职业生涯时。在最近为《科学》杂志撰写的一篇评论文章中，约翰霍普金斯大学应用物理实验室的行星科学家凯瑟琳·曼特 (Kathleen Mandt) 阐述了为什么天王星是正确的选择，其他研究人员似乎也同意这一观点。

“我们向其他所有行星、彗星、小行星和海王星外天体都发送了探测任务。我们还向太阳系外和太阳表面发送了探测任务……天王星和海王星是太阳系的谜团，”威尔·桑德斯说， 波士顿大学的一位研究天王星大气层的天文学家。

人类最后一次近距离观察天王星及其冰巨星兄弟海王星是在 20 世纪 80 年代，当时的旅行者号探测器已经发射。尽管海王星在科学上同样有趣——它捕获的柯伊伯带天体卫星海卫一因其冰火山等而特别令人好奇——但距离该星球十亿英里的距离却是决定胜负的关键。

“我们首先选择天王星的主要原因是因为它更容易到达，”曼特告诉《大众科学》 。“我们已经等待了三十多年才有机会前往这些行星。首先前往天王星意味着风险更小，任务可以更快到达该行星。”

对于行星探测任务而言，“很快”意味着在未来几十年内——前往天王星需要 10 到 15 年的时间，工程师仍需要设计和建造航天器。截至目前，计划于 2032 年发射，有望在 2040 年代中期到达天王星。该任务将分为两部分：一个轨道器，将围绕该行星至少运行五年；以及一个探测器，用于深入云层并收集有关天王星大气层的信息。

天文学家对木星和土星的一些关键测量结果对于天王星来说仍然缺失，例如稀有气体的含量和不同类型氮的比例。探测器将测量这些化学标记，因为它们是行星形成方式和时间的指纹。“四颗巨行星的形成及其移动到新位置的方式对整个太阳系产生了重大影响，”曼特说。这种行星重新排列“可能是我们在地球上获得水的原因”，她补充道，这种运动将柯伊伯带和奥尔特云中的许多物体推向了它们现在的位置。

[相关：预计 NASA 将在未来 10 年内探测天王星]

此外，天王星是唯一一颗完全侧倾的行星：它的倾斜度为 98 度，与地球的 23 度相比，这非常奇怪。这导致其大气层出现一些异常。行星科学家对天王星上云层和风的形态感到困惑，他们希望在这次任务中解决这些问题。

天王星还有 27 颗卫星，其中一些卫星厚厚的冰层下可能有海洋。地下海洋当然是天体生物学家最喜欢寻找外星生命的目标之一，天王星的卫星也不例外。旅行者号的一大惊喜是，天王星的五颗最大卫星——米兰达、艾里尔、乌姆布里尔、泰坦尼亚和奥伯龙——并不是曼特在文章中描述的“冰冷的死寂世界”，而是地质活跃的。

“简而言之，我希望在我死前再拍一张米兰达的照片，”亚利桑那大学月球与行星实验室的行星科学家阿迪恩·登顿说。“对我而言，米兰达是太阳系中最酷、最不寻常的地方之一，覆盖着我们在其他地方从未见过的地质地形。”

天王星给我们的教训并不局限于我们的太阳系。在过去的几十年里，系外行星天文学家发现天王星大小的行星可能是最常见的行星类型。近距离研究我们的本地样本对于试图了解遥远系外行星的天文学家来说将非常有价值——特别有助于确定天王星核心和内部结构的特性，例如它是由岩石还是冰构成的。

[相关：天王星喷出一个比地球大 22,000 倍的气泡]

布里斯托尔大学天文学家汉娜·韦克福德说：“自从我出生以来，我们就没有近距离观察过天王星。那是在我们知道系外行星的存在之前。这次天王星任务将改变我们对太阳系以及整个银河系行星的理解。”

即将发射的天王星轨道器和探测器任务有可能成为科学界的革命性事件，使我们对冰巨星的了解达到新的水平——就像卡西尼号对土星和朱诺号对木星所做的那样。“轨道器是我们真正需要的，它可以对整个天王星系统进行深入的科学研究，”丹顿说。“有太多东西可以看和做，投入轨道器真的非常值得。”

此外，它还将传回我们太阳系边缘的惊人图像，这必将激发和激励未来的科学家和太空迷。每当 NASA 来拜访时，它总是会带上相机，这次见面会也不例外。