为“淘金”,各国准备了哪些奇招?

发布时间:2024年03月15日

金星是人类早期深空探测的宠儿。上世纪60〜80年代苏联和美国向其派出多个探测器。2021年6月,美国和欧洲相继宣布要派“特使”探访金星,此前俄罗斯也宣布计划“重返金星”,人类对这个地球的“孪生兄弟”正表现出新的兴趣。

麦哲伦号金星探测器拍摄到的金星地表图

人类过去是怎样探测金星的?

金星逐渐淡出人类视线的原因之一,是上世纪80年代末90年代初苏联经济困难和最终解体使其无暇顾及金星探测。截至目前,Venera-Gallay-1/2探测器成为苏联/俄罗斯最后一个成功发射的行星探测器。另外,上世纪90年代以来,美国宇航局把无人行星探测的重点放在了火星上,因为人们在这颗红色星球上发现了曾经存在过水的痕迹,吸引不同国家的多个轨道器、着陆器和漫游器“前赴后继”去探个究竟。由于金星表面温度非常高,即使最成功的着陆器在金星上也只能挺过几个小时。因此,相比火星,人类获得的金星数据要少得多。

金星与地球大小、质量和组成差不多,且是内太阳系的邻居,但因所经历的极端恶劣的温室效应且如今被厚厚的有毒大气包裹而常常被看作地球的“恶魔孪生兄弟”。经过研究,科学家认为金星并不一直都是“炼狱”。几十亿年前,它曾经是一个像地球一样的宜居星球,气候温和、温度适宜、河流纵横、海洋广阔,但约几亿年前的温室效应等原因改变了金星的命运。

“水手10号”对金星的成像图

近年来,随着寻找地外生命热的兴起,金星成为天文生物学家感兴趣的目标。科学家们去年9月宣布,基于对地基红外和微波观测数据的分析,他们发现金星大气中可能有磷化氢。在地球上,磷都是由生命在厌氧环境下产生的。金星大气中发现的磷化氢有可能是由高层大气中的生命产生的,但也有科学家对这一发现提出了质疑。

研究系外行星演变的科学家对金星产生浓厚兴趣的原因,是他们认为了解金星和地球之间的差异对认识行星以及宜居条件是如何演化的十分重要。人类把目光再次投向金星还有一个现实原因,确切掌握金星是如何从宜居星球变成灼热炼狱的过程对人类更好地保护地球大有裨益。目前人类大规模砍伐森林、燃烧化石燃料等行为,正在把地球环境变得越来越糟糕。人类向大气中排放的二氧化碳等吸热性强的温室气体逐年增加,大气的温室效应也随之增强,其引发的一系列问题已引起广泛关注。温室效应可追溯到对金星的研究,因为那里强烈的温室效应导致了其大气的极端升温。

进入新世纪以来,只有欧洲和日本开展了金星轨道器任务。此外,人类只能利用从金星旁边飞过的其他探测器做有限观测,很多研究人员一直在倡议开展全面深入的金星探测任务。

为探测金星,各国做了哪些准备?

1. 美国宇航局:“达芬奇+”携手“真相”

6月2日,美国宇航局局长纳尔逊宣布,在美国宇航局“发现”计划最新一轮任务选定工作下选取了两项金星探测任务。名为“达芬奇+”和“真相”的探测器将在本世纪20年代末发往金星。这两项姊妹任务都旨在搞清金星是如何变成能把地表上的铅熔化的一个炼狱般的星球的。这是美国宇航局30多年来首次宣布要开展金星无人探测任务,即美国宇航局1989年发射麦哲伦雷达测绘轨道器之后首度发射金星专项探测任务。诞生于1992年的“发现”计划旨在支持经常性地开展费用封顶、科学目标针对性强的太阳系探测任务。

“达芬奇+”的全称是“金星惰性气体、化学与成像大气深入调查+”,将2次飞越金星,测量其大气循环和热辐射等相关数据。之后会把一个球形下降装置送入金星大气,用来精确测量不同高度上的大气成分。这将有助于科学家认识金星大气的形成和演化,确定金星上是否有过海洋,并有助于认识其失控的温室效应是如何发生的。下降探测装置上的相机将拍摄被称为“镶嵌地块”的地质特征的高分辨率图像。那些地质特征可能类似于地球上的大陆。

“达芬奇+”将携带探测装置闯入金星大气,以测定其成分

“真相”全称为“金星辐射、射电科学、合成孔径雷达干涉测量、地形学与光谱学”,将利用合成孔径雷达系统从轨道上对金星进行测绘,包括测绘表面岩石类型,进而制作首份金星表面成分地图,而这对于了解金星上水的历史非常重要。从某种角度来说,它可以说是美国宇航局麦哲伦探测器的升级版,其测量精度将大幅提升。它还将搜寻红外辐射,从而有望帮助科学家确定那里是否存在活火山。

美国宇航局的“真相”金星探测器

“达芬奇+”任务将由美国宇航局戈达德航天飞行中心牵头,而“真相”则将由喷气推进实验室主抓。两项任务的探测器本体都将由“洛·马”承造。每项任务估计需耗资5亿美元,拟在2028~2030年间发射。发往金星的最优发射窗口大约每隔19个月出现一次。发射合同将在每项任务研制的后期签订。

美国宇航局局长纳尔逊宣布,“达芬奇+”和“真相”将在20年代末前往金星

除了主科学载荷外,这两项任务还都将搭载技术验证装置。“真相”将搭载已在2019年随一颗地球轨道卫星上天的一款深空原子钟的升级型号,将对射电科学观测和探测器自主机动有所帮助。“达芬奇+”将搭载一台新型紫外成像光谱仪。

美国宇航局“发现”计划科学家瓦格纳说,“我们对金星的了解之少令人惊讶,但这两项任务的综合成果将告诉我们这颗行星的情况,包括其天上的云、表面上的火山乃至其最核心的部分,这就像是我们重新发现了该行星”。

2. 欧空局:“展望”接续“金星快车”

无独有偶,在美国宇航局宣布选定两项金星探测任务仅一周后,欧空局也把一项金星轨道探测任务选定为其下一项中级科学任务。该局6月10日宣布,“展望”(EnVision)将成为其下一项M级(中级)科学任务。该轨道器将配备成套的光谱仪、探测仪和雷达设备,目标是回答以下这些问题:金星与地球的尺寸和组成较为相似,但是为什么金星经历了如此巨大的气候变化?金星经历了哪些过程才演变成目前这种状态的?地球未来的命运会像金星一样吗?

欧空局的“展望”金星探测轨道器

“展望”最早将会在2031年由阿里安6火箭发射。到达金星后要利用金星大气来做气动制动,最后进入最终的科学轨道,开展为期4年的科学探测任务。欧空局未披露“展望”任务估计将耗资多少,但在该局“宇宙愿景”科学任务框架下,M级任务的耗资拟控制在5亿欧元(6.1亿美元)上下。

金星对欧空局来说并不陌生,欧空局曾于2005年发射金星快车探测器,主要用于研究金星表面的空气动力学和化学成分,了解金星表面的大气特点;研究太阳风对金星表面空气的影响以及行星的发展和演变。“展望”将接续欧空局的“金星快车”轨道探测任务。与“金星快车”以大气研究为主不同,“展望”将确定金星地质活动的性质和现状及其同大气活动的关联,更好地认识金星与地球的演化路线为何大不相同。

欧空局“金星快车”在轨示意图

欧空局和美国宇航局并未就这些任务的选定及其时间安排进行协调,但双方都乐见这些任务之间实际存在的互补性。美欧双方都在参与对方的任务。“展望”上称为VenSAR的合成孔径雷达将由美国喷气推进实验室提供,而意大利航天局和法国国家空间研究中心正在为美方的“真相”探测器提供一台类似的雷达,德国宇航中心将为“真相”提供红外测绘仪。

3. 俄印:“金星D”与“金星船”

其他一些国家也在规划开展金星探测任务。苏联时期曾在金星探测领域领跑的俄罗斯近年来一直在推进被称为“金星D”的一项任务方案。该方案包括轨道器和着陆器,可能会有美国宇航局的某些参与,拟不早于2026年发射。俄罗斯国家航天集团公司总经理罗戈津一直称要让俄重返金星。他说,金星一直是一颗“俄罗斯行星”,研究金星会有助于科学家掌握如何应对地球上的气候变化。

俄罗斯“金星D”探测任务

印度正在研制名为“金星船”的一个金星轨道器,该轨道器重约2500千克,将携带包括合成孔径雷达和其他仪器在内的一套科学有效载荷。主要目标是要测绘金星表面和亚表面,同时研究金星大气化学成分和与太阳风的相互作用。“金星船”计划由印度GSLV-2型火箭发射。为了让探测器能携带更多仪器或燃料,任务团队也在评估是否可采用运力更强的GSLV-3型火箭。“金星船”将是印首次金星探测任务,将开展为期4年多的研究。

印度金星探测

4. 私人项目:“电子号”将送“光子”闯金星

对金星感兴趣的并不只有财大气粗的政府部门。火箭实验室公司这个小运载和小卫星研制厂家也要挑头开展一项小规模的金星探测任务。火箭实验室公司首席执行官贝克曾多次表示,该公司正着手开展一项小卫星任务,将闯入金星大气,寻找磷或其他生命标志物。这项任务将由该公司自己的“电子号”火箭发射,并将采用其“光子”卫星平台的一个型号。光子平台已在一次发射中做了在轨验证。贝克表示,“金星是太阳系中价值被低估得最厉害的行星。地球或可吸取金星温室效应失控的教训。从科学上说,我们能从金星学到非常多的东西”。

光子卫星平台

其他私人项目也已开始萌芽。由亿万富豪尤里·米尔纳出资的突破倡议基金会2020年宣布将会为金星潜在生命研究出资。

有人说金星是一块“罗塞塔石碑”,可以让人们了解行星气候变化、宜居条件演变以及表面海洋消失后会发生什么变化等信息。让我们静候各路“淘金”人马带来更多发现,早日揭开金星的神秘面纱。