地球黑化兄弟突然火了!各國宇航局躍躍欲試探金星
2019年08月24日09:29

  來源:Nature自然科研

  曾經水靈靈的伊甸園,現如今地獄般的金星也許可以揭示如何在遙遠的恒星周圍尋找宜居的家園。

  直升機像石頭一樣下墜。它在馬里蘭州上空急降超過1500米,在迅速接近地面的過程中發生些許扭曲變形。雖然這個過程完全是按計劃進行的,但依然令James Garvin心驚膽顫。當他突然意識到自己的安全帶還沒有完全繫上的那一刻,心率直線上升。

Jasiek Krzysztofiak提供的金星效果圖。
Jasiek Krzysztofiak提供的金星效果圖。

  隨後,在距離地面只有6米的地方發生了更加瘋狂的事情,飛行員將直升機迅速拉高並直衝雲霄,而這麼做的目的是為了再次俯衝地面。直升機當天一共陡降了十次。每一次,Garvin都會通過敞開的艙門拍攝地面,試圖測量地面一處採石場的地形,拍攝對象從巨石到沙地應有盡有。如此折騰,可不是為了地球上的事情。

  Garvin是美國宇航局戈達德太空飛行中心(Goddard Space Flight Center, NASA)的首席科學家,他正在領導一項金星探索任務,計劃投放一台探測器進入金星大氣。這就是為什麼他在2016年8月聘請了兩名飛行員進行直升機陡降操作,測試金星探測器可能會拍攝到什麼樣的場景。這一段驚心動魄的航程帶來了回報:研究人員希望得到像這次航拍一樣高清的金星照片,到時候他們處理起來就得心應手了。“那時候看金星的照片就好像你降落在自家後院一樣。”他說。

  Garvin並不唯一一個有如此雄心壯誌的科學家。目前,全球幾乎所有航天局都在謀劃一個探索方案,目標是我們那長期沒有存在感的鄰居——金星(參見下圖“金星的十年”)。印度空間研究組織(ISRO,Indian Space Research Organisation)計劃在2023年首開紀錄,向金星發射一顆軌道飛行器。美國可能緊隨其後。Garvin及其同事是若干即將向NASA提交探索任務提案的團體之一,如果有幸被選中,他們的探測器將於2025年升空。歐洲航天局(ESA,European Space Agency)目前也在考慮在2032年向金星發送一顆軌道飛行器。另外,俄羅斯航天局(Roscosmos)正在與美國合作,計劃在2026年至2033年間執行一項大膽的金星探索任務,計劃中包括一個軌道飛行器,一個可以發回短期讀數的著陸器和一個可以長期工作的觀測站。

金星表面:NASA/JPL
金星表面:NASA/JPL

  這股探金風潮與各國長期以來忽視金星,重視火星、小行星和其他行星的事實形成了鮮明對比。例如,過去65年來,NASA已向火星發射了11個軌道飛行器和8個登陸器,但僅向金星發射了2個軌道飛行器,而且都是在1994年以前。這種窘境並不是因為人們對金星缺乏科學上的興趣。實際上,自20世紀90年代中期以來,僅美國科學家就向NASA提交了近30份金星探索提案,然而無一獲批。

  但是人們探索金星的熱情正在逐漸高漲,部分原因是科學家們認為探索金星有助於理解一顆行星之所以宜居的原因。金星曾經就像地球的一個雙胞胎一樣,但是如今卻是一個表面溫度超過400°C的地獄般的所在;大氣壓強非常大,足以擊碎重型機械;硫酸雲肆虐天空。如果研究人員能夠破解為什麼金星的環境變得如此惡劣,就能幫助他們評估已知的銀河系中上千個岩石星球上是否可能存在生命。

  隨著探索金星的科學論證逐漸完善,行星科學家們正在想方設法來研究金星,實驗室也在驗證新的技術,以應對金星表面的惡劣條件。在印度帶頭髮射探測器之後,可能很快就會有一系列探測器向距離太陽第二近的行星——金星——進發。

  “這或將開啟探索金星的一個新時代。”巴黎天文台的行星科學家Thomas Widemann說道。

  雙重麻煩

  人類在最初走向太空時,就開始了對金星的探索。我們的鄰居金星是第一次成功的行星際探測的目標(美國,1962年);也是探測器任務失敗墜毀到的第一顆行星(前蘇聯,1965年);以及探測器成功著陸的第一個外星世界(前蘇聯,1970年)。正是在這場關於金星的太空競賽中,科學家發現了一個炎熱而劇毒的世界(參見“歷史上的金星任務”)。這就解釋了為什麼人們探索金星的興趣後來逐漸減退。科學家們很快意識到,這個星球不會是未來人類星際探索的家園,也不是尋找外星生命的出路。另外,即使在很短的時間內探測金星也是難上加難的。

  然而,在很多方面,比如尺寸、密度和化學成分上,金星是地球的翻版。最近的研究甚至表明在過去三十億年的時間里,金星和地球可能很相似,都擁有生命的搖籃—— 廣闊的海洋。“這就是我對金星遐想連篇的原因,”美國曼荷蓮學院(Mount Holyoke College)的行星科學家Darby Dyar說,“如果是那樣的話,就有充足的時間讓生命開始演化。”

  這可能意味著金星(有點令人驚訝地)是太陽系中第一個可能存在生命的行星—— 這個地方與地球一樣可能形成生命。僅此一點就足以驅使我們去拜訪這一前海洋世界。“為什麼我們投入這麼多時間去尋找火星上的生命,而它上面的液態水只存在了四億年?”Dyar問道,“金星上的水存在了三十億年,反而沒有人愛她。”

  然而毫無疑問的是,金星發生了某種嚴重的問題。雖然地球和金星起點類似,但是兩者卻沿著截然不同的演化路徑走下來—— 分歧可能出現在7.15億年前。這似乎是一個不去探索金星的理由,但現在科學家們認為這種分歧使得金星更加有趣。如果研究人員能搞清楚金星環境如此退化的起因,便有可能更好地瞭解是什麼促使地球成為生命的避風港。

  “金星將大大幫助我們瞭解自己,瞭解生命是如何在我們自己的星球上演化的。”NASA總部的科學項目經理Adriana Ocampo說。

  天文學家已經在我們的太陽系外發現了數千個行星——其中許多是由岩石構成的,它們到所屬恒星的距離與金星和地球到太陽的距離相似。這意味著許多行星可能很類似金星的情況。研究系外行星的斯坦福大學天文學家Laura Schaefer說:“在系外行星學界,人們越來越意識到金星是我們發現的許多岩石類系外行星在太陽系中最好的類比。”

  雷達地形圖

  這麼誘人的問題都還沒有得到解決,也就難怪ISRO宣佈要重返金星的消息才會令大家如此激動。“我很高興ISRO要這樣做,”Dyar說, “我很高興國際社會正在關注金星並提出探索計劃。這真是太妙了。”

  雖然ISRO的金星探索任務還籠罩著一絲神秘色彩(《自然》發郵件並致電該項目科學家數十次,但一直沒有得到回應),但是很明顯該機構計劃發射一台攜帶大量儀器的軌道飛行器。當ISRO在去年年底宣佈探索金星的任務時,它發佈了一份由印度科學家提出的十幾種測量儀器的入選清單,讓我們得以一窺究竟。在那些傳感器中,有兩個將使用雷達對金星進行測繪,這可以說是穿過金星上的密集大氣並從軌道上追蹤其表面的最佳方法。

  儘管如此,ISRO還是一個相對年輕的航天局,在月球和火星上成功著陸的次數有限。而且,與其他年輕機構提出的計劃類似,印度的第一個金星探索任務可能只是一次概念驗證,相比較於科學上的收穫,他們更加註重工程學上的進步。但是鑒於我們現在連金星的基本信息都知之甚少,所以任何一點小的進步都將有助於整個科學的發展。

  這次任務在科學上的一個重要貢獻也許會是一張全新標記金星表面特徵的地形圖。此前旨在繪製金星地形圖的最後一項航天任務是由NASA於30年前發射的麥哲倫號軌道飛行器(Magellan orbiter)執行的。雖然這些雷達地形圖到今天仍然是金星地質學的基礎,但平均來說它們的地形特徵水平解像度僅能達到每像素10-20公里(圖像解像度可高出兩個數量級)。由於地形數據有限,研究人員對金星的地質只有一個模糊的認識——但這些現有的地形圖確實暗示了金星上的板塊構造到今天可能依然活躍(參見“行星整形”)。

行星整形
行星整形

  這尤其令人著迷,因為許多科學家認為板塊構造活動對於生命的形成非常重要。這些在地殼上像拚圖一樣犬牙交錯的構造板塊不斷移動,一些滑入另一些的下方,紮進行星內部(這一過程叫做俯衝)。數百萬年來,這一過程在大氣層和地球內部之間循環溫室氣體二氧化碳,使得地球不會過熱或過冷。它充當了天然的恒溫器,這可能意味著“躁動”的行星更有可能孕育出生命。

  因此,科學家們迫切希望能破解板塊構造發生的條件。這就是為什麼NASA噴氣推進實驗室(JPL)的行星科學家Suzanne Smrekar將目光投向了金星,特別是那些與地球上俯衝斷層相似的地方。科學家們一致認為,俯衝現像是板塊構造的第一步,然而在金星上還沒有發現明顯的大範圍板塊移動跡象——至少在幾十年前麥哲倫號軌道飛行器繪製的地形圖中沒有找到。例如,地處太平洋板塊和北美板塊之間的聖安地列斯斷層的寬度從幾米到一公里不等,因為太窄所以無法在麥哲倫號的地形數據中辨認出來。

  但未來的金星地形圖也許可以揭示這種地質構造特徵。Smrekar是籌備“真理”號(VERITAS)項目的負責人,她和她的團隊很快將向NASA提出一個任務方案。這項地質物理任務將使用更高解像度的雷達來繪製金星的地形圖,將精度從大約15公里提高到250米,這樣一來科學家也許就能首次發現像聖安地列斯斷層一樣細微的地質特徵。

  儘管結果還是未知,但科學家們有可能發現過去板塊構造的證據。就像Smrekar說的,這就可以解釋為什麼金星在數十億年的時間里維持了類似地球的環境,因為這個天然恒溫器可以控製大氣中二氧化碳的濃度。這一現象也可以用於解釋金星環境為何後來變得如此嚴酷:當板塊構造停止,大氣中的二氧化碳濃度會上升並保存大量熱量,以至於海洋都蒸發了。

  但那隻是其中一個可能的發現。一些科學家熱衷於研究金星的大氣組成,它包含另一個同樣令人著迷的秘密。

計算機生成的金星馬特火山(Maat Mons,縱向比例放大),可以看到前景處的深色岩漿。
計算機生成的金星馬特火山(Maat Mons,縱向比例放大),可以看到前景處的深色岩漿。

  Garvin提議的探測器叫做“達芬奇”號(DAVINCI),它將進入金星大氣檢測有毒化合物的成分。惰性氣體的同位素,尤其是氙氣,可以幫助科學家瞭解金星火山活動的歷史,並揭示金星是否一開始就像地球一樣富含水分。“金星的大氣是一個潛在的實驗室,它會告訴我們金星的歷史,”Garvin說,“實際上,目前為止金星大氣的大多數測量都非常地不全面。”此外,多虧了Garvin策劃了嚇人的直升機飛行演習,這台探測器計劃在墜落金星的最後幾秒鍾拍攝金星的地表圖像。

  “真理”號和“達芬奇”號都於7月1日參加NASA的競標,執行未來的“發現任務”(Discovery missions),這項任務會資助一系列低成本的行星探測器,每個探測器的成本僅為5億美元。有傳言說除這兩個計劃之外,還有其他計劃參與競標。在數十個研究太空天體的提案中,可能有多達五個金星探索任務(包括一個氣象氣球)。例如,在NASA上一次“發現競賽”(Discovery competition,2015年)中,NASA從27個提案中選出了兩個來資助,這些競選方案的內容包括觀測太陽系小行星、衛星和行星的探測器,觀測太陽系外圍的望遠鏡。

  今年年底,NASA將選出一些任務進行進一步的研究,並將在兩年內挑選出最終的執行項目。Smrekar和Garvin希望他們的任務都會被選中,部分原因是他們在上一次的“發現競賽”中提出了相似的任務方案,並且兩個都被選中進入下一輪的研究。如果其中一個金星任務成功過審,將在2020年中期發射探測器。

  即使在那段時間之後,金星仍可能成為行星際活動的中心。歐洲航天局最近選擇了一個名為“遠景”號(EnVision)的金星探測器以及另外兩個入圍方案來參加一個最早在2032年升空的任務。像“真理”號一樣,“遠景”號是一個軌道飛行器,它將以高達1米的解像度分析金星的一小部分,而不是像“真理”號那樣以15-30米的解像度繪製整個金星。在這種精度下,科學家們甚至可能找到前蘇聯當時留在金星上的著陸器。

  他們甚至能辨認出那些著陸器所在岩石的類型。20世紀90年代早期的天文學家已經發現,某些波長的光可以透過覆蓋在金星表面的二氧化碳霧霾。如果攜帶分光儀的軌道飛行器把測量波段調整到這些透明的“窗口”,就有可能從雲層上方分析金星地表的成分。這一前景令人興奮,特別是如果科學家可以發現花崗岩的話。

  像玄武岩的形成一樣,熔岩漿冷卻和硬化後形成花崗岩。但與玄武岩不同的是,花崗岩的形成通常需要大量的水。在地球上,當富含水分的海洋型地殼俯衝向另一塊板時就會形成花崗岩。因此,如果發現金星富含花崗岩,就說明它可能曾經有大量的液態水。

  那可能將成為最有力的證據,證明金星以前是一顆與地球非常相似的淡藍色星球;同時也可能是它們後來分道揚鑣的另一條線索(見“水之謎”)。

  問題是金星大氣中實際只有五個狹窄的光譜窗口是透明的。這樣能得到的信息就很少,科學家們不確定他們是否能夠真正區分花崗岩和玄武岩。因此柏林行星研究所(Institute of Planetary Research)的行星科學家Jörn Helbert建議將兩種岩石都置於類似金星的條件下,並通過那些狹窄的頻帶對它們進行成像。他的實驗表明,兩個岩石光譜看起來完全不同,未來的任務的確可以利用這些光譜窗戶。通過這些發現,他和他的同事們搭建了一台儀器,可以用來繪製金星表面上的任何花崗岩。“真理”號和“遠景”號都將搭載這台儀器。

  觸手可及

  為了真正理解金星地表,一些科學家希望能夠讓一艘飛船登陸金星,這是人類35年以來未能實現的壯舉。雖然前蘇聯向金星發送過幾個著陸器,但是那些成功登陸的迅速倒在這顆星球的惡劣環境下:持續時間最長的一個也只維持了127分鍾。

  科學家們希望能打破這一記錄,並且他們已經設計出一種技術,不要說持續數分鍾,就算幾個月也不在話下。NASA格倫研究中心(Glenn Research Center)的一個團隊正在建造一個至少可以維持60天的工作站。不像之前的著陸器利用吸收熱量或製冷來應對嚴酷條件,這個著陸器直接採用由碳化矽(通常用於製造砂紙和假鑽石的矽碳化合物)製成的簡無反子設備,它們可以承受金星上地獄般的環境。“這對於金星探索而言,是真正的遊戲規則顛覆者。”格倫研究中心的電子工程師Philip Neudeck說。

  該團隊已經在金星模擬室中對電路進行了測試,金星模擬室是一個14噸重的不鏽鋼罐,可以模擬金星表面的溫度、壓力和特定化學成分。研究人員利用這些結果設計了一種名為耐用型太陽系原位探測器(Long-Lived In-Situ Solar System Explorer,LLISSE)的固定地表探測器,該探測器應將在2020年代中期做好飛行準備,並可以提供給其他國家使用。“任何去金星的任務都歡迎使用LLISSE。”格倫研究中心的電子工程師Gary Hunter說。他和整個團隊精心設計了一個只有烤麵包機大小的著陸器,它既小巧又輕便,可以搭許多未來金星任務的便車。

  儘管LLISSE體積小,但它能夠記錄溫度、壓力、風速、風向、地表太陽能量以及金星低氣壓下的一些特定化學物質。它可以持續工作數月之久,為金星大氣模型提供關鍵的輸入參數。“想像一下,如果有人試圖在外面只待個127分鍾就開始吹噓自己瞭解地球上的天氣。”Hunter說。但這是我們手頭上所能掌握的金星天氣數據的現況。

  Roscosmos的科學家們迫切希望使用這項新技術。在與NASA合作的聯合提案中,他們正在籌劃一項名為“Venera-Dolgozhivuschaya”的任務(第一個詞是“金星”的意思,後面這個詞意味著“持久”),或簡稱為“金星-D”。這個任務包括一整套組件:一個軌道飛行器、一個著陸器和一個長期工作站。著陸器將搭載許多先進的儀器,但只能持續工作幾個小時;長期工作站的設計會比較簡單,但能持續進行長達數月的測量。該站很可能會使用NASA的LLISSE。

  這還是基礎架構,實際任務可能包括更多的組件。今年,金星-D團隊發佈了一份報告,其中涵蓋了許多備選的新增內容,包括可以探索多雲天氣的氣象氣球。這開啟了搜索金星生命的可能性。到目前為止提出的所有其他任務都旨在評估金星過去是否適合居住。但氣象氣球也許能夠在金星今天唯一的宜居環境——天空——中尋找生命。

  “想像一下,在鑠石流金的地表和折膠墮指的外太空之間,有一個條件正好適合生命生存的宜居帶。”Dyar說。該處不僅具有怡人的溫度,而且還可以從太陽那兒獲得營養、液態水和能量。如果金星上存在過生命,那麼在其表面環境變得惡劣之後,這些生命可能被帶到雲層而倖存下來。

  Ocampo認為,即使沒有氣象氣球,金星-D任務的三個主要組成部分也將提供出色的科學成果。“這將是瞭解金星科學的一項突破性任務,”她說,“我們以前沒有類似的任務。”

  不幸的是,金星-D項目還沒有被選中,許多科學家已經表達了一些擔憂,因為這項任務早已被大家討論過,但到目前為止資金依然沒有到位。莫斯科太空研究所(Space Research Institute)金星-D項目的首席科學家Ludmila Zasova希望今年情況能有所改觀。

  籌劃中的大項目可不止這一個。一些美國團隊計劃向NASA的“新疆界計劃”(New Frontiers programme)提交一些金星探索項目,該計劃的資助上限為10億美元;還有“旗艦任務計劃”(Flagship mission programme),該計劃的資助標準更高。由於金星相關提案在過去的競標中表現良好(通常只稍稍落後於入選提案),這些科學家門認為這次他們很有機會“中榜”。

  隨著每個航天局都開始關注我們的鄰居,金星很可能在未來幾十年內接待一大批的“來客”。雖然他們都打算以某種方式解決環境適應性的問題,但Garvin確信無論他們發現什麼,都將“超越我們最瘋狂的想像”。也許他們會證明金星以前是一個海洋世界,也許會發現今天的金星依然擁有活躍的構造活動。“咱們走著瞧吧,”他說,“金星正等著向我們傾訴,我可不想坐失良機。”

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