天王星之旅

1781年3月，天文学家威廉·赫谢尔在他位于巴斯的花园里发现了天王星。200多年后，美国宇航局的宇宙飞船旅行者2号1986年1月飞越天王星，这是我们第一次与太阳系第七大行星近距离接触。它仍然是唯一一个距离太阳比地球远20倍的行星。

但回归的计划正在进行中。一个once-in-a-decade来自国家科学院的报告在去年4月发布的一份报告中，建议将天王星作为美国宇航局(Nasa)的最高优先级旗舰任务。该报告建议，轨道飞行器和探测器应该在2030年初起飞。

天王星是一颗冰巨星，同样大小但距离更远的海王星也是如此。这一描述让人联想到一个冻结的世界，但它们的名字主要是将它们与气体巨星木星和土星区分开来。令人惊讶的是，它们的真实性质比以氢和氦为主的气体巨星要模糊得多，后者最近才被探测器和轨道飞行器探测到。

这两颗冰巨星介于岩石行星和气体行星之间，是太阳系中最不为人知的行星。美国马里兰州美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心的行星科学家艾米·西蒙说:“最后的边疆已经不多了，我们至少在某种程度上还没有去过或研究过的地方。”天王星就是其中之一。“天王星和海王星在化学成分上与气体巨星不同，因为它们可能是在离太阳更远的地方形成的，含有更重的元素。

NAS报告指出，天王星任务可以解决外太阳系形成、巨型行星的结构和演化、它们的卫星系统甚至系外行星等优先问题。这颗行星拥有光环、有趣的卫星、复杂的大气层、不确定的内部和97.8°的轴倾角(导致季节极端)，以及一个奇怪的磁场。“如果我们不研究冰巨星，我们就会错过太阳系的一半故事，”他说雅典娜Coustenis他是法国巴黎天文台的行星科学家。

旅行者号任务是一次出色的侦察任务——但它无法探测火星内部

选择天王星而不是海王星，只是因为它离地球更近，而木星的位置很好，可以在21世纪30年代为宇宙飞船提供重力弹弓。也不需要新的技术，不过可用的仪器将比旅行者2号更先进，发射于1977年。负责处理旅行者号数据的库斯坦尼斯说:“旅行者号是一次很棒的探测任务，但它没有足够的有效载荷来观察行星内部，只有探测器才能进行现场大气测量。”

詹姆斯·韦伯太空望远镜于2021年圣诞节发射，不久将瞄准天王星，展现这颗行星的美妙景色。但是雾霾和冰云阻碍了对行星大气层的观测，望远镜也无法探测到引力或磁场。“行星科学基本上是由数据驱动的，”他说伯大尼Ehlmann他是美国加州理工学院的行星科学家，也是NAS调查委员会的成员。“天王星和海王星的数据是太阳系所有行星中最少的。”

内部秘密

旅行者2号对天王星的重力场和磁层有短暂的一瞥，但更好的观测需要专门的轨道飞行器。虽然天王星的质量和半径是已知的，但模型只能从零散的数据中勾勒出它的结构。专家们说，教科书上整洁的冰内部图，围绕着密度更大的岩石核心，仍然是有根据的猜测。“称天王星为冰巨星有点误导人，”他说拉维特冥界他是瑞士苏黎世大学的行星科学家。“人们想象这颗行星内部是由固体和水主导的冰质内部，但这颗行星很可能有液体部分，更可能是一颗巨大的岩石。”我们真的不知道。“以冥王星为例，结果证明它由70%的岩石和30%的水组成。天王星的内部可能是岩石或水冰，甲烷或氨，还有一些氢和氦。有多少水冰是未知的。

Helled开始她的职业生涯研究木星和土星，然后转向天王星和海王星。直到那时，她才意识到“我们对他们知之甚少”，她回忆道，“这有点令人震惊”。关于它们的形成、演化和组成，有多少关键的未解之谜令她着迷。“天王星的内部是一个真正的谜，”证实道帕特里克•欧文他是英国牛津大学的行星物理学家。“旅行者号上的对重力场的观测，一个很有效的解决方案是天王星主要是由冰物质组成的。”

有人提出了更奇特的结构:在云层和气体下面有一个地球大小的岩石世界，或者是氨气、甲烷和水的奇怪混合物，在深处凝结成超临界流体。其他的推测包括一个由铁等重元素组成的致密核心，或者甚至可能是一个由大块钻石组成的热碳海洋。推测可能很有趣，但这些想法在薄弱的数据基础上摇摇欲坠。“我们不太了解它的内部结构和组成，”赫尔德说。她认为，根据我们对土星和木星的访问，天王星不太可能有分层的内部，有独特的地幔和核心。西蒙说:“我们有模型，但我怀疑一旦我们成功了，它们就会完全改变。”

蓝色的烟雾

氢可能占天王星上层大气的五分之四，剩下的主要是氦，但也有碳、氧、氮和硫等重要的云形成分子。地球上有一种主要的可凝结物，即水，它形成云，析出并输送热量，创造天气。但天王星至少有四种可凝结的分子——水、氨、硫化氢和甲烷——在对流层中形成云。在最上层，甲烷凝结成明亮的斑片状云，然后在大约1-1.5巴(100-150kPa)形成雾霾。甲烷被认为会形成冰雹或冰粒，这些冰粒会沉淀下来，然后在大气的下层重新融化。天王星大气的蓝色是由于甲烷气体对红光的强烈吸收，可能比海王星的颜色要浅，因为在其缓慢的大气中积聚了一层雾霾。

阳光分解甲烷可以解释旅行者2号探测到的乙炔和乙烷的痕迹。“我们没有看到厚厚的云层，而是大气中的光化学雾霾，”欧文说。在一个很短的垂直高度，甲烷含量从4%上升到几乎为零。“这种碳氢化合物烟雾阻碍了地球上甚至太空望远镜对大气的观测。一些对了解行星的组成和起源至关重要的化学物质没有通过遥感探测到的特征，这使得从地球上进行观测成为不可能。

下一个云层可能由硫化氢组成，大约3-6巴。最终，随着更深层次的压力和温度的上升，可能会形成水冰和氨冰云。但在这里，情况变得更加模糊。“很难说云层下面有多少水，”他说利弗莱彻他是英国莱斯特大学专门研究大气的行星科学家。弗莱彻解释说:“我们不能很容易地通过遥感来研究它，因为这些云可能非常深，融合成一个巨大的内部海洋。”“确切地说，这种情况是如何发生的，在哪里发生的，这是我们对冰巨星大气和内部结构的理解完全消失的地方。”

不幸的是，旅行者2号的相机没有捕捉到橙色以外的波长。西蒙说:“如果没有红外波长，你就看不到这些额外的云层结构。”这是基于地球的观测难以做到的。解决办法是让探测器带着光谱仪进入天王星大气层。这样的飞船可能类似伽利略号1995年12月进入木星大气层的探测器。它经受住了记录水、甲烷、氨、硫化氢和微量碳氢化合物的巨大压力，在22巴左右失效。科学家们希望天王星探测器至少能达到10巴，可能是20巴，甚至高达50巴，尽管在这样的深度将信号传回轨道飞行器可能具有挑战性。

将某种物质送入大气层将是开创性的

Helled也认为探针是必要的。“这可以为我们的结构模型提供边界条件，也可以揭示天王星的起源和演化。”大气中氖和氪等稀有气体的相对丰度可以让研究人员预测一颗行星形成时距离太阳有多远。这对冰巨星来说尤其有趣，因为有人怀疑它们形成的地方离太阳更近。随着木星和土星质量的增加，它们的引力可能扰乱了天王星和海王星的轨道，解释道国Sayanagi他是美国弗吉尼亚州汉普顿大学的行星大气科学家，也是NAS调查的成员之一。甚至有可能天王星和海王星交换了位置，成为第七和第八大行星。

库斯坦尼斯是美国科学院十年调查指导委员会的一员。她相信欧洲航天局(ESA)将为美国宇航局领导的天王星探测任务做出贡献，也许还会开发一个配套的探测器。这就是卡西尼号土星任务所发生的事情，当时欧空局开发了惠更斯号它于2005年1月在土星最大的卫星土卫六上着陆。

然而，探测器不会在冰巨行星上着陆，因为它们不太可能有固体表面。西蒙说:“这完全是气氛。”“这只是大气有多冷或多湿的问题。”“因此，探测器是观测云层下景色的关键。“将某种物质送入大气层将是开创性的，”他说保罗·伯恩他是美国圣路易斯华盛顿大学的行星科学家。现场分析将能够为其他观测数据提供一个“真实的事实”。

奇怪的是倾斜的

任何任务的另一半都将是一个轨道飞行器，它可以持续监测引力场，揭示行星的密度分布，从而揭示它的组成和结构。朱诺号宇宙飞船是为了木星弗莱彻解释说:“当航天器绕着木星飞行时，由于引力场的作用，它会受到微小的推动和拉动，这让你可以推断出深度很深的风的密度分布和强度。”

地球熔融的镍铁核心产生了一个类似条形磁铁的磁场，有磁北和磁南。天王星就不一样了，它的磁场更混乱，也更偏离中心。这颗行星倾斜到97.8°，随着它的旋转，磁层变得扭曲，旅行者2号观察到它与旋转轴相比倾斜了59°。弗莱彻解释说:“由于天王星的自转，这些磁场在天王星的下游被扭曲成一个复杂的螺旋。”天王星专家认为，天王星的动态特性需要轨道飞行器。“这是一个奇怪的配置，”磁层的西蒙说。“我们真的需要绘制出这个领域的地图，以了解它的方向。”

一个极点可以经历四十年的黑暗，然后是四十年的阳光

卡西尼号观测结果朱诺土星和木星周围的金属氢形成了它们的磁层，但冰巨星的起源仍然是一个谜。伯恩说:“可能是这种泥状的电离氨水混合物在移动和旋转，产生了随时间变化的磁场，变化很大。”当地球磁场使带电粒子从太阳偏转时，在天王星上，磁场可能周期性地向高带电粒子开放，这些高带电粒子会局部改变大气成分，可能会使大气的光化学增强或引起闪电。

地球极端的97.8°的轴倾角意味着，不寻常的是，两极比赤道得到更多的阳光。弗莱彻指出，在太阳系的任何地方，大气层也经历着最极端的季节。他说，一个极点可以经历40年的极地黑暗，然后是40年的春夏阳光。“这肯定会对大气化学和云雾的产生产生深远的影响。”“更好地了解天王星的天气需要一个长期的轨道飞行器。

这颗行星为什么向一侧倾斜是另一个谜。最常被引用的解释是，一个行星物体以足够的力量撞击年轻的天王星，将其撞向一侧。一次模拟表明，一个至少是地球质量两倍的天体与年轻的天王星合并，可能会将物质以一层的形式留在行星内。

这种奇怪的倾斜和碰撞的可能性可能与另一种观测有关，这种观测将天王星与海王星和两颗气体巨星区分开来。这些行星将它们在形成过程中凝结和压缩物质时产生的热量辐射出去。海王星释放的热量大约是太阳的2.5倍，而天王星处于热平衡状态。欧文说:“海王星似乎有很多形成时遗留下来的热量，而天王星几乎没有。”根据弗莱彻的说法，结果之一是天王星的大气比动荡的海王星更平静。

这种形成热可能是由于猛烈的碰撞而逸出的，或者行星可能以一种捕获热量的方式分层。新提出的任务可以帮助回答这些问题。西蒙说:“我们仍在试图拼凑出(冰巨人)是否迁移出去了，以及到底是什么撞翻了天王星。”这样早期的行星进化是基于目前最好的猜测。西蒙说:“一旦我们获得良好的重力场数据，并弄清楚它的内部结构，就会告诉我们很多东西。”

这颗行星的卫星和一个环系统也围绕其不平衡的轴运动。土星环不像土星环那么发达。伯恩说，天王星环“尘土飞扬”，而且“比土星环的冰少得多”。它们可能是过去碰撞的残留物。轨道飞行器可以研究它们，它们的组成似乎与天王星卫星不同。

海王星及更远的地方

在旅行者2号开始观测天王星之前，已知有五颗卫星，以莎士比亚作品中的人物命名——米兰达、阿里尔、翁布里尔、泰坦尼亚和奥伯伦。宇宙飞船发现了11颗新卫星，目前已知的有27颗。这次飞越揭示了一些大型冰岩卫星上的地质活动，这些都是潜在的海洋世界。美国国家科学院最近的报告指出，泰坦尼亚和奥伯龙可能足够大，可以容纳地下海洋，“特别是如果它们的水层含有足够数量的氨或其他防冻剂”。“第三颗，阿里尔星，可能被潮汐加热到在其内部形成一个水海洋的程度。“这使得它们在宜居性方面很有吸引力。“这是一组非常奇怪的卫星，”西蒙说。

优先考虑冰巨星的另一个原因是，它们的大小是我们银河系中探测到的系外行星中最常见的。伯恩说:“去天王星可以让我们参观一个潜在的非常普通的世界的代表。”虽然现在已经发现了数千颗系外行星，詹姆斯·韦伯太空望远镜肯定会发现更多，但我们当地的冰巨人仍然是个谜。Helled说:“我们在太阳系中有两个这样的行星，但我们真的不了解它们。”

天王星真的是太阳系中下一个值得探索的大天体

不过，来自天王星任务的突破性科学的诱惑仍然存在。西蒙说:“这是全人类的科学。”“这是地质学家、大气科学家、磁层和日光层研究人员可以研究的东西，它也为我们提供了太阳系外行星的信息。”然而，行星科学家们并没有等待新的任务，对旅行者号观测结果的重新分析仍在发表，证实了近距离接触的重要性。

行星科学家们不可避免地认为，在天王星之后，下一个任务应该是去海王星。尽管如此，即使是最乐观的情况，也会看到天王星任务在21世纪30年代初发射，最早在21世纪40年代中期抵达。

“我们有卡西尼号在土星，朱诺在木星，现在是时候更好地了解这些最外层的行星了，”黑尔德说。“这确实是太阳系中值得探索的下一个大事件。她的同事也有同感。埃尔曼总结说:“现在是时候解决知识鸿沟，了解冰巨人了。”

安东尼·金是一位生活在爱尔兰都柏林的科普作家