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湘潭开票:地球黑化兄弟忽然火了!各国宇航局摩拳擦掌探金星

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来历:Nature天然科研

从前水灵灵的伊甸园,现现在地狱般的金星或许能够提醒如安在悠远的恒星周围寻觅宜居的家乡。

直升机像石头相同下坠。它在马里兰州上空急降逾越1500米,在敏捷挨近地上的进程中发作少许歪曲变形。尽管这个进程彻底是按方案进行的,但仍然令James Garvin提心吊胆。当他忽然意识到自己的安全带还没有彻底系上的那一刻,心率直线上升。

随后,在间隔地上只要6米的当地发作了愈加张狂的作业,飞翔员将直升机敏捷拉高并直冲云霄,而这么做的意图是为了再次爬升地上。直升机当天总共陡降了十次。每一次,Garvin都会经过打开的舱门拍照地上,企图丈量地上一处采石场的地势,拍照方针从巨石到沙地包罗万象。如此折腾,可不是为了地球上的作业。

Garvin是美国宇航局戈达德太空飞翔中心(Goddard Space Flight Center, NASA)的首席科学家,他正在领导一项金星探究使命,方案投进一台勘探器进入金星大气。这便是为什么他在2016年8月聘请了两名飞翔员进行直升机陡降操作,测验金星勘探器或许会拍照到什么样的场景。这一段触目惊心的航程带来了报答:研讨人员期望得到像这次航拍相同高清的金星相片,到时候他们处理起来就称心如意了。“那时候看金星的相片就好像你降落在自家后院相同。”他说。

Garvin并不只有一个有如此雄心勃勃的科学家。现在,全球简直一切航天局都在策划一个探究方案,方针是咱们那长时刻没有存在感的街坊——金星(拜见下图“金星的十年”)。印度空间研讨安排(ISRO,Indian Space Research Organisation)方案在2023年首开纪录,向金星发射一颗轨迹飞翔器。美国或许紧随其后。Garvin及其搭档是若干行将向NASA提交探究使命提案的集体之一,假如有幸被选中,他们的勘探器将于2025年升空。欧洲航天局(ESA,European Space Agency)现在也在考虑在2032年向金星发送一颗轨迹飞翔器。别的,俄罗斯航天局(Roscosmos)正在与美国协作,方案在2026年至2033年间履行一项斗胆的金星探究使命,方案中包含一个轨迹飞翔器,一个能够发回短期读数的着陆器和一个能够长时刻作业的观测站。

这股探金风潮与各国长时刻以来忽视金星,重视火星、小行星和其他行星的现实构成了鲜明对比。例如,曩昔65年来,NASA已向火星发射了11个轨迹飞翔器和8个登陆器,但仅向金星发射了2个轨迹飞翔器,并且都是在1994年从前。这种困境并不是因为人们对金星缺少科学上的爱好。实践上,自20世纪90年代中期以来,仅美国科学家就向NASA提交了近30份金星探究提案,可是无一获批。

可是人们探究金星的热心正在逐步高涨,部分原因是科学家们以为探究金星有助于了解一颗行星之所以宜居的原因。金星从前就像地球的一个双胞胎相同,可是现在却是一个外表温度逾越400°C的地狱般的地点;大气压强十分大,足以击碎重型机械;硫酸云暴虐天空。假如研讨人员能够破解为什么金星的环境变得如此恶劣,就能协助他们评价已知的银河系中上千个岩石星球上是否或许存在生命。

跟着探究金星的科学论证逐步完善,行星科学家们正在想方设法来研讨金星,试验室也在验证新的技能,以应对金星外表的恶劣条件。在印度带头发射勘探器之后,或许很快就会有一系列勘探器向间隔太阳第二近的行星——金星——进发。

“这或将敞开探究金星的一个新时代。”巴黎天文台的行星科学家Thomas Widemann说道。

两层费事

人类在开端走向太空时,就开端了对金星的探究。咱们的街坊金星是第一次成功的行星际勘探的方针(美国,1962年);也是勘探器使命失利坠毁到的第一颗行星(前苏联,1965年);以及勘探器成功着陆的第一个外星国际(前苏联,1970年)。正是在这场关于金星的太空比赛中,科学家发现了一个酷热而剧毒的国际(拜见“前史上的金星使命”)。这就解说了为什么人们探究金星的爱好后来逐步减退。科学家们很快意识到,这个星球不会是未来人类星际探究的家乡,也不是寻觅外星生命的出路。别的,即便在很短的时刻内勘探金星也是难上加难的。

可是,在许多方面,比方尺度、密度和化学成分上,金星是地球的翻版。最近的研讨乃至标明在曩昔三十亿年的时刻里,金星和地球或许很相似,都具有生命的摇篮—— 宽广的海洋。“这便是我对金星遥想连篇的原因,”美国曼荷莲学院(Mount Holyoke College)的行星科学家Darby Dyar说,“假如是那样的话,就有足够的时刻让生命开端演化。”

这或许意味着金星(有点令人惊奇地)是太阳系中第一个或许存在生命的行星—— 这个当地与地球相同或许构成生命。仅此一点就足以唆使咱们去访问这一前海洋国际。“为什么咱们投入这么多时刻去寻觅火星上的生命,而它上面的液态水只存在了四亿年?”Dyar问道,“金星上的水存在了三十亿年,反而没有人爱她。”

可是毫无疑问的是,金星发作了某种严峻的问题。尽管地球和金星起点相似,可是两者却沿着天壤之别的演化途径走下来—— 不合或许出现在7.15亿年前。这似乎是一个不去探究金星的理由,但现在科学家们以为这种不合使得金星愈加风趣。假如研讨人员能搞清楚金星环境如此退化的原因,便有或许更好地了解是什么促进地球成为生命的避风港。

“金星将大大协助咱们了解自己,了解生命是如安在咱们自己的星球上演化的。”NASA总部的科学项目经理Adriana Ocampo说。

天文学家现已在咱们的太阳系外发现了数千个行星——其间许多是由岩石构成的,它们到所属恒星的间隔与金星和地球到太阳的间隔相似。这在某种程度上预示着许多行星或许很相似金星的状况。研讨系外行星的斯坦福大学天文学家Laura Schaefer说:“在系外行星学界,人们越来越意识到金星是咱们发现的许多岩石类系外行星在太阳系中最好的类比。”

雷达地势图

这么诱人的问题都还没有得到处理,也就难怪ISRO宣告要重返金星的音讯才会令咱们如此激动。“我很快乐ISRO要这样做,”Dyar说, “我很快乐国际社会正在重视金星并提出探究方案。这真是太妙了。”

尽管ISRO的金星探究使命还笼罩着一丝神秘色彩(《天然》发邮件并致电该项目科学家数十次,但一向没有得到回应),可是很显着该组织方案发射一台带着很多仪器的轨迹飞翔器。当ISRO在上一年年末宣告探究金星的使命时,它发布了一份由印度科学家提出的十几种丈量仪器的当选清单,让咱们得以一窥终究。在那些传感器中,有两个将运用雷达对金星进行测绘,这能够说是穿过金星上的密布大气并从轨迹上追寻其外表的最佳办法。

尽管如此,ISRO仍是一个相对年青的航天局,在月球和火星上成功着陆的次数有限。并且,与其他年青组织提出的方案相似,印度的第一个金星探究使命或许仅仅一次概念验证,相比较于科学上的收成,他们愈加重视工程学上的前进。可是鉴于咱们现在连金星的基本信息都知之甚少,所以任何一点小的前进都将有助于整个科学的开展。

这次使命在科学上的一个重要贡献或许会是一张全新符号金星外表特征的地势图。此前旨在制作金星地势图的终究一项航天使命是由NASA于30年前发射的麦哲伦号轨迹飞翔器(Magellan orbiter)履行的。尽管这些雷达地势图到今日仍然是金星地质学的根底,但均匀来说它们的地势特征水平分辨率仅能到达每像素10-20公里(图画分辨率可高出两个数量级)。因为地势数据有限,研讨人员对金星的地质只要一个含糊的知道——但这些现有的地势图确实暗示了金星上的板块结构到今日或许仍然活泼(拜见“行星整形”)。

这特别令人入神,因为许多科学家以为板块结构活动关于生命的构成很重要。这些在地壳上像拼图相同纵横交错的结构板块不断移动,一些滑入另一些的下方,扎进行星内部(这一进程叫做爬升)。数百万年来,这一进程在大气层和地球内部之间循环温室气体二氧化碳,使得地球不会过热或过冷。它充当了天然的恒温器,这或许意味着“烦躁”的行星更有或许孕育出生命。

因而,科学家们火急期望能破解板块结构发作的条件。这便是为什么NASA喷气推动试验室(JPL)的行星科学家Suzanne Smrekar将目光投向了金星,特别是那些与地球上爬升断层相似的当地。科学家们共同以为,爬升现象是板块结构的第一步,可是在金星上还没有发现显着的大范围板块移动痕迹——至少在几十年前麦哲伦号轨迹飞翔器制作的地势图中没有找到。例如,地处太平洋板块和北美板块之间的圣安地列斯断层的宽度从几米到一公里不等,因为太窄所以无法在麦哲伦号的地势数据中辨认出来。

但未来的金星地势图或许能够提醒这种地质结构特征。Smrekar是预备“真理”号(VERITAS)项意图负责人,她和她的团队很快将向NASA提出一个使命方案。这项地质物理使命将运用更高分辨率的雷达来制作金星的地势图,将精度从大约15公里提高到250米,这样一来科学家或许就能初次发现像圣安地列斯断层相同纤细的地质特征。

尽管效果仍是不知道,但科学家们有或许发现曩昔板块结构的依据。就像Smrekar说的,这就能够解说为什么金星在数十亿年的时刻里保持了相似地球的环境,因为这个天然恒温器能够操控大气中二氧化碳的浓度。这一现象也能够用于解说金星环境为何后来变得如此严格:当板块结构中止,大气中的二氧化碳浓度会上升并保存很多热量,以至于海洋都蒸发了。

但那仅仅其间一个或许的发现。一些科学家热衷于研讨金星的大气组成,它包含另一个相同令人入神的隐秘。

Garvin提议的勘探器叫做“达芬奇”号(DAVINCI),它将进入金星大气检测有毒化合物的成分。惰性气体的同位素,特别是氙气,能够在必定程度上协助科学家了解金星火山活动的前史,并提醒金星是否一开端就像地球相同富含水分。“金星的大气是一个潜在的试验室,它会告知咱们金星的前史,”Garvin说,“实践上,现在为止金星大气的大多数丈量都十分地不全面。”此外,多亏了Garvin策划了吓人的直升机飞翔演习,这台勘探器方案在掉落金星的终究几秒钟拍照金星的地表图画。

“真理”号和“达芬奇”号都于7月1日参与NASA的竞标,履行未来的“发现使命”(Discovery missions),这项使命会赞助一系列低本钱的行星勘探器,每个勘探器的本钱仅为5亿美元。有传言说除这两个方案之外,还有其他方案参与竞标。在数十个研讨太空天体的提案中,或许有多达五个金星探究使命(包含一个气候气球)。例如,在NASA上一次“发现比赛”(Discovery competition,2015年)中,NASA从27个提案中选出了两个来赞助,这些竞选方案的内容包含观测太阳系小行星、卫星和行星的勘探器,观测太阳系外围的望远镜。

本年年末,NASA将选出一些使命进行进一步的研讨,并将在两年内挑选出终究的履行项目。Smrekar和Garvin期望他们的使命都会被选中,部分原因是他们在上一次的“发现比赛”中提出了相似的使命方案,并且两个都被选中进入下一轮的研讨。假如其间一个金星使命成功过审,将在2020年中期发射勘探器。

即便在那段时刻之后,金星仍或许成为行星际活动的中心。欧洲航天局最近挑选了一个名为“前景”号(EnVision)的金星勘探器以及别的两个入围方案来参与一个最早在2032年升空的使命。像“真理”号相同,“前景”号是一个轨迹飞翔器,它将以高达1米的分辨率剖析金星的一小部分,而不是像“真理”号那样以15-30米的分辨率制作整个金星。在这种精度下,科学家们乃至或许找到前苏联其时留在金星上的着陆器。

他们乃至能辨认出那些着陆器地点岩石的类型。20世纪90年代前期的天文学家现已发现,某些波长的光能够透过掩盖在金星外表的二氧化碳雾霾。假如带着分光仪的轨迹飞翔器把丈量波段调整到这些通明的“窗口”,就有或许从云层上方剖析金星地表的成分。这一前景令人兴奋,特别是假如科学家能够发现花岗岩的话。

像玄武岩的构成相同,熔岩浆冷却和硬化后构成花岗岩。但与玄武岩不同的是,花岗岩的构成一般需求很多的水。在地球上,当富含水分的海洋型地壳爬升向另一块板时就会构成花岗岩。因而,假如发现金星富含花岗岩,就阐明它或许从前有很多的液态水。

那或许将成为最有力的依据,证明金星从前是一颗与地球十分相似的淡蓝色星球;一起也或许是它们后来各奔前程的另一条头绪(见“水之谜”)。

问题是金星大气中实践只要五个狭隘的光谱窗口是通明的。这样能得到的信息就很少,科学家们不确定他们是否能够真实区别花岗岩和玄武岩。因而柏林行星研讨所(Institute of Planetary Research)的行星科学家Jrn Helbert主张将两种岩石都置于相似金星的条件下,并经过那些狭隘的频带对它们进行成像。他的试验标明,两个岩石光谱看起来彻底不同,未来的使命确实能够运用这些光谱窗户。经过这些发现,他和他的搭档们搭建了一台仪器,能够用来制作金星外表上的任何花岗岩。“真理”号和“前景”号都将搭载这台仪器。

触手可及

为了真实了解金星地表,一些科学家期望能够让一艘飞船登陆金星,这是人类35年以来未能完成的豪举。尽管前苏联向金星发送过几个着陆器,可是那些成功登陆的敏捷倒在这颗星球的恶劣环境下:继续时刻最长的一个也只保持了127分钟。

科学家们期望能打破这一记载,并且他们现已规划出一种技能,不要说继续数分钟,就算几个月也不在话下。NASA格伦研讨中心(Glenn Research Center)的一个团队正在制作一个至少能够保持60天的作业站。不像之前的着陆器运用吸收热量或制冷来应对严格条件,这个着陆器直接选用由碳化硅(一般用于制作砂纸和假钻石的硅碳化合物)制成的简略电子设备,它们能够接受金星上地狱般的环境。“这关于金星探究而言,是真实的游戏规则颠覆者。”格伦研讨中心的电子工程师Philip Neudeck说。

该团队现已在金星模仿室中对电路进行了测验,金星模仿室是一个14吨重的不锈钢罐,能够模仿金星外表的温度、压力和特定化学成分。研讨人员运用这些效果规划了一种名为经用型太阳系原位勘探器(Long-Lived In-Situ Solar System Explorer,LLISSE)的固定地表勘探器,该勘探器应将在2020年代中期做好飞翔预备,并能够供给给其他国家运用。“任何去金星的使命都欢迎运用LLISSE。”格伦研讨中心的电子工程师Gary Hunter说。他和整个团队精心规划了一个只要烤面包机巨细的着陆器,它既细巧又简便,能够搭许多未来金星使命的便车。

尽管LLISSE体积小,但它能够记载温度、压力、风速、风向、地表太阳能量以及金星低气压下的一些特定化学物质。它能够继续作业数月之久,为金星大气模型供给要害的输入参数。“幻想一下,假如有人企图在外面只待个127分钟就开端揄扬自己了解地球上的气候。”Hunter说。但这是咱们手头上所能把握的金星气候数据的现况。

Roscosmos的科学家们火急期望运用这项新技能。在与NASA协作的联合提案中,他们正在谋划一项名为“Venera-Dolgozhivuschaya”的使命(第一个词是“金星”的意思,后边这个词意味着“耐久”),或简称为“金星-D”。这个使命包含一整套组件:一个轨迹飞翔器、一个着陆器和一个长时刻作业站。着陆器将搭载许多先进的仪器,但只能继续作业几个小时;长时刻作业站的规划会比较简略,但能继续进行长达数月的丈量。该站很或许会运用NASA的LLISSE。

这仍是根底架构,实践使命或许包含更多的组件。本年,金星-D团队发布了一份陈述,其间涵盖了许多备选的新增内容,包含能够探究多云气候的气候气球。这敞开了查找金星生命的或许性。到现在为止提出的一切其他使命都旨在评价金星曩昔是否合适寓居。但气候气球或许能够在金星今日仅有的宜居环境——天空——中寻觅生命。

“幻想一下,在铄石流金的地表和折胶堕指的外太空之间,有一个条件正好合适生命生计的宜居带。”Dyar说。该处不只具有怡人的温度,并且还能够从太阳那儿取得养分、液态水和能量。假如金星上存在过生命,那么在其外表环境变得恶劣之后,这些生命或许被带到云层而幸存下来。

Ocampo以为,即便没有气候气球,金星-D使命的三个首要组成部分也将供给超卓的科学效果。“这将是了解金星科学的一项突破性使命,”她说,“咱们从前没有相似的使命。”

不幸的是,金星-D项目还没有被选中,许多科学家现已表达了一些忧虑,因为这项使命早已被咱们讨论过,但到现在为止资金仍然没有到位。莫斯科太空研讨所(Space Research Institute)金星-D项意图首席科学家Ludmila Zasova期望本年状况能有所改观。

谋划中的大项目可不止这一个。一些美国团队方案向NASA的“新疆界方案”(New Frontiers programme)提交一些金星探究项目,该方案的赞助上限为10亿美元;还有“旗舰使命方案”(Flagship mission programme),该方案的赞助规范更高。因为金星相关提案在曩昔的竞标中体现杰出(一般只稍稍落后于当选提案),这些科学家门以为这次他们很有时机“中榜”。

跟着每个航天局都开端重视咱们的街坊,金星很或许在未来几十年内招待一大批的“来客”。尽管他们都计划以某种方法处理环境适应性的问题,但Garvin坚信不管他们发现什么,都将“逾越咱们最张狂的幻想”。或许他们会证明金星从前是一个海洋国际,或许会发现今日的金星仍然具有活泼的结构活动。“咱们走着瞧吧,”他说,“金星正等着向咱们倾吐,我可不想坐失机宜。”

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