地球黑化兄弟突然火了!各国宇航局跃跃欲试探金星

2019-08-28

曾经水灵灵的伊甸园,现如今地狱般的金星也许可以揭示如何在遥远的恒星周围寻找宜居的家园。

直升机像石头一样下坠。它在马里兰州上空急降超过1500米,在迅速接近地面的过程中发生些许扭曲变形。虽然这个过程完全是按计划进行的,但依然令James Garvin心惊胆战。当他突然意识到自己的安全带还没有完全系上的那一刻,心率直线上升。

Jasiek Krzysztofiak提供的金星效果图

随后,在距离地面只有6米的地方发生了更加疯狂的事情,飞行员将直升机迅速拉高并直冲云霄,而这么做的目的是为了再次俯冲地面。直升机当天一共陡降了十次。每一次,Garvin都会通过敞开的舱门拍摄地面,试图测量地面一处采石场的地形,拍摄对象从巨石到沙地应有尽有。如此折腾,可不是为了地球上的事情。

Garvin是美国宇航局戈达德太空飞行中心(Goddard Space Flight Center, NASA)的首席科学家,他正在领导一项金星探索任务,计划投放一台探测器进入金星大气。这就是为什么他在2016年8月聘请了两名飞行员进行直升机陡降操作,测试金星探测器可能会拍摄到什么样的场景。这一段惊心动魄的航程带来了回报:研究人员希望得到像这次航拍一样高清的金星照片,到时候他们处理起来就得心应手了。“那时候看金星的照片就好像你降落在自家后院一样。”他说。

Garvin并不唯一一个有如此雄心壮志的科学家。目前,全球几乎所有航天局都在谋划一个探索方案,目标是我们那长期没有存在感的邻居——金星(参见下图“金星的十年”)。印度空间研究组织(ISRO,Indian Space Research Organisation)计划在2023年首开纪录,向金星发射一颗轨道飞行器。美国可能紧随其后。Garvin及其同事是若干即将向NASA提交探索任务提案的团体之一,如果有幸被选中,他们的探测器将于2025年升空。欧洲航天局(ESA,European Space Agency)目前也在考虑在2032年向金星发送一颗轨道飞行器。另外,俄罗斯航天局(Roscosmos)正在与美国合作,计划在2026年至2033年间执行一项大胆的金星探索任务,计划中包括一个轨道飞行器,一个可以发回短期读数的着陆器和一个可以长期工作的观测站。

金星表面:NASA/JPL

这股探金风潮与各国长期以来忽视金星,重视火星、小行星和其他行星的事实形成了鲜明对比。例如,过去65年来,NASA已向火星发射了11个轨道飞行器和8个登陆器,但仅向金星发射了2个轨道飞行器,而且都是在1994年以前。这种窘境并不是因为人们对金星缺乏科学上的兴趣。实际上,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份金星探索提案,然而无一获批。

但是人们探索金星的热情正在逐渐高涨,部分原因是科学家们认为探索金星有助于理解一颗行星之所以宜居的原因。金星曾经就像地球的一个双胞胎一样,但是如今却是一个表面温度超过400°C的地狱般的所在;大气压强非常大,足以击碎重型机械;硫酸云肆虐天空。如果研究人员能够破解为什么金星的环境变得如此恶劣,就能帮助他们评估已知的银河系中上千个岩石星球上是否可能存在生命。

随着探索金星的科学论证逐渐完善,行星科学家们正在想方设法来研究金星,实验室也在验证新的技术,以应对金星表面的恶劣条件。在印度带头发射探测器之后,可能很快就会有一系列探测器向距离太阳第二近的行星——金星——进发。

“这或将开启探索金星的一个新时代。”巴黎天文台的行星科学家Thomas Widemann说道。

双重麻烦

人类在最初走向太空时,就开始了对金星的探索。我们的邻居金星是第一次成功的行星际探测的目标(美国,1962年);也是探测器任务失败坠毁到的第一颗行星(前苏联,1965年);以及探测器成功着陆的第一个外星世界(前苏联,1970年)。正是在这场关于金星的太空竞赛中,科学家发现了一个炎热而剧毒的世界(参见“历史上的金星任务”)。这就解释了为什么人们探索金星的兴趣后来逐渐减退。科学家们很快意识到,这个星球不会是未来人类星际探索的家园,也不是寻找外星生命的出路。另外,即使在很短的时间内探测金星也是难上加难的。

然而,在很多方面,比如尺寸、密度和化学成分上,金星是地球的翻版。最近的研究甚至表明在过去三十亿年的时间里,金星和地球可能很相似,都拥有生命的摇篮—— 广阔的海洋。“这就是我对金星遐想连篇的原因,”美国曼荷莲学院(Mount Holyoke College)的行星科学家Darby Dyar说,“如果是那样的话,就有充足的时间让生命开始演化。”

这可能意味着金星(有点令人惊讶地)是太阳系中第一个可能存在生命的行星—— 这个地方与地球一样可能形成生命。仅此一点就足以驱使我们去拜访这一前海洋世界。“为什么我们投入这么多时间去寻找火星上的生命,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。”

然而毫无疑问的是,金星发生了某种严重的问题。虽然地球和金星起点类似,但是两者却沿着截然不同的演化路径走下来—— 分歧可能出现在7.15亿年前。这似乎是一个不去探索金星的理由,但现在科学家们认为这种分歧使得金星更加有趣。如果研究人员能搞清楚金星环境如此退化的起因,便有可能更好地了解是什么促使地球成为生命的避风港。

“金星将大大帮助我们了解自己,了解生命是如何在我们自己的星球上演化的。”NASA总部的科学项目经理Adriana Ocampo说。

天文学家已经在我们的太阳系外发现了数千个行星——其中许多是由岩石构成的,它们到所属恒星的距离与金星和地球到太阳的距离相似。这意味着许多行星可能很类似金星的情况。研究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我们发现的许多岩石类系外行星在太阳系中最好的类比。”

雷达地形图

这么诱人的问题都还没有得到解决,也就难怪ISRO宣布要重返金星的消息才会令大家如此激动。“我很高兴ISRO要这样做,”Dyar说, “我很高兴国际社会正在关注金星并提出探索计划。这真是太妙了。”

虽然ISRO的金星探索任务还笼罩着一丝神秘色彩(《自然》发邮件并致电该项目科学家数十次,但一直没有得到回应),但是很明显该机构计划发射一台携带大量仪器的轨道飞行器。当ISRO在去年年底宣布探索金星的任务时,它发布了一份由印度科学家提出的十几种测量仪器的入选清单,让我们得以一窥究竟。在那些传感器中,有两个将使用雷达对金星进行测绘,这可以说是穿过金星上的密集大气并从轨道上追踪其表面的最佳方法。

尽管如此,ISRO还是一个相对年轻的航天局,在月球和火星上成功着陆的次数有限。而且,与其他年轻机构提出的计划类似,印度的第一个金星探索任务可能只是一次概念验证,相比较于科学上的收获,他们更加注重工程学上的进步。但是鉴于我们现在连金星的基本信息都知之甚少,所以任何一点小的进步都将有助于整个科学的发展。

这次任务在科学上的一个重要贡献也许会是一张全新标记金星表面特征的地形图。此前旨在绘制金星地形图的最后一项航天任务是由NASA于30年前发射的麦哲伦号轨道飞行器(Magellan orbiter)执行的。虽然这些雷达地形图到今天仍然是金星地质学的基础,但平均来说它们的地形特征水平分辨率仅能达到每像素10-20公里(图像分辨率可高出两个数量级)。由于地形数据有限,研究人员对金星的地质只有一个模糊的认识——但这些现有的地形图确实暗示了金星上的板块构造到今天可能依然活跃(参见“行星整形”)。

行星整形

这尤其令人着迷,因为许多科学家认为板块构造活动对于生命的形成非常重要。这些在地壳上像拼图一样犬牙交错的构造板块不断移动,一些滑入另一些的下方,扎进行星内部(这一过程叫做俯冲)。数百万年来,这一过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,这可能意味着“躁动”的行星更有可能孕育出生命。

因此,科学家们迫切希望能破解板块构造发生的条件。这就是为什么NASA喷气推进实验室(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俯冲断层相似的地方。科学家们一致认为,俯冲现象是板块构造的第一步,然而在金星上还没有发现明显的大范围板块移动迹象——至少在几十年前麦哲伦号轨道飞行器绘制的地形图中没有找到。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形数据中辨认出来。

但未来的金星地形图也许可以揭示这种地质构造特征。Smrekar是筹备“真理”号(VERITAS)项目的负责人,她和她的团队很快将向NASA提出一个任务方案。这项地质物理任务将使用更高分辨率的雷达来绘制金星的地形图,将精度从大约15公里提高到250米,这样一来科学家也许就能首次发现像圣安地列斯断层一样细微的地质特征。

尽管结果还是未知,但科学家们有可能发现过去板块构造的证据。就像Smrekar说的,这就可以解释为什么金星在数十亿年的时间里维持了类似地球的环境,因为这个天然恒温器可以控制大气中二氧化碳的浓度。这一现象也可以用于解释金星环境为何后来变得如此严酷:当板块构造停止,大气中的二氧化碳浓度会上升并保存大量热量,以至于海洋都蒸发了。

但那只是其中一个可能的发现。一些科学家热衷于研究金星的大气组成,它包含另一个同样令人着迷的秘密。

计算机生成的金星马特火山(Maat Mons,纵向比例放大),可以看到前景处的深色岩浆。

Garvin提议的探测器叫做“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,尤其是氙气,可以帮助科学家了解金星火山活动的历史,并揭示金星是否一开始就像地球一样富含水分。“金星的大气是一个潜在的实验室,它会告诉我们金星的历史,”Garvin说,“实际上,目前为止金星大气的大多数测量都非常地不全面。”此外,多亏了Garvin策划了吓人的直升机飞行演习,这台探测器计划在坠落金星的最后几秒钟拍摄金星的地表图像。

“真理”号和“达芬奇”号都于7月1日参加NASA的竞标,执行未来的“发现任务”(Discovery missions),这项任务会资助一系列低成本的行星探测器,每个探测器的成本仅为5亿美元。有传言说除这两个计划之外,还有其他计划参与竞标。在数十个研究太空天体的提案中,可能有多达五个金星探索任务(包括一个气象气球)。例如,在NASA上一次“发现竞赛”(Discovery competition,2015年)中,NASA从27个提案中选出了两个来资助,这些竞选方案的内容包括观测太阳系小行星、卫星和行星的探测器,观测太阳系外围的望远镜。

今年年底,NASA将选出一些任务进行进一步的研究,并将在两年内挑选出最终的执行项目。Smrekar和Garvin希望他们的任务都会被选中,部分原因是他们在上一次的“发现竞赛”中提出了相似的任务方案,并且两个都被选中进入下一轮的研究。如果其中一个金星任务成功过审,将在2020年中期发射探测器。

即使在那段时间之后,金星仍可能成为行星际活动的中心。欧洲航天局最近选择了一个名为“远景”号(EnVision)的金星探测器以及另外两个入围方案来参加一个最早在2032年升空的任务。像“真理”号一样,“远景”号是一个轨道飞行器,它将以高达1米的分辨率分析金星的一小部分,而不是像“真理”号那样以15-30米的分辨率绘制整个金星。在这种精度下,科学家们甚至可能找到前苏联当时留在金星上的着陆器。

他们甚至能辨认出那些着陆器所在岩石的类型。20世纪90年代早期的天文学家已经发现,某些波长的光可以透过覆盖在金星表面的二氧化碳雾霾。如果携带分光仪的轨道飞行器把测量波段调整到这些透明的“窗口”,就有可能从云层上方分析金星地表的成分。这一前景令人兴奋,特别是如果科学家可以发现花岗岩的话。

像玄武岩的形成一样,熔岩浆冷却和硬化后形成花岗岩。但与玄武岩不同的是,花岗岩的形成通常需要大量的水。在地球上,当富含水分的海洋型地壳俯冲向另一块板时就会形成花岗岩。因此,如果发现金星富含花岗岩,就说明它可能曾经有大量的液态水。

那可能将成为最有力的证据,证明金星以前是一颗与地球非常相似的淡蓝色星球;同时也可能是它们后来分道扬镳的另一条线索(见“水之谜”)。

问题是金星大气中实际只有五个狭窄的光谱窗口是透明的。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正区分花岗岩和玄武岩。因此柏林行星研究所(Institute of Planetary Research)的行星科学家Jörn Helbert建议将两种岩石都置于类似金星的条件下,并通过那些狭窄的频带对它们进行成像。他的实验表明,两个岩石光谱看起来完全不同,未来的任务的确可以利用这些光谱窗户。通过这些发现,他和他的同事们搭建了一台仪器,可以用来绘制金星表面上的任何花岗岩。“真理”号和“远景”号都将搭载这台仪器。

触手可及

为了真正理解金星地表,一些科学家希望能够让一艘飞船登陆金星,这是人类35年以来未能实现的壮举。虽然前苏联向金星发送过几个着陆器,但是那些成功登陆的迅速倒在这颗星球的恶劣环境下:持续时间最长的一个也只维持了127分钟。

科学家们希望能打破这一记录,并且他们已经设计出一种技术,不要说持续数分钟,就算几个月也不在话下。NASA格伦研究中心(Glenn Research Center)的一个团队正在建造一个至少可以维持60天的工作站。不像之前的着陆器利用吸收热量或制冷来应对严酷条件,这个着陆器直接采用由碳化硅(通常用于制造砂纸和假钻石的硅碳化合物)制成的简单电子设备,它们可以承受金星上地狱般的环境。“这对于金星探索而言,是真正的游戏规则颠覆者。”格伦研究中心的电子工程师Philip Neudeck说。

该团队已经在金星模拟室中对电路进行了测试,金星模拟室是一个14吨重的不锈钢罐,可以模拟金星表面的温度、压力和特定化学成分。研究人员利用这些结果设计了一种名为耐用型太阳系原位探测器(Long-Lived In-Situ Solar System Explorer,LLISSE)的固定地表探测器,该探测器应将在2020年代中期做好飞行准备,并可以提供给其他国家使用。“任何去金星的任务都欢迎使用LLISSE。”格伦研究中心的电子工程师Gary Hunter说。他和整个团队精心设计了一个只有烤面包机大小的着陆器,它既小巧又轻便,可以搭许多未来金星任务的便车。

尽管LLISSE体积小,但它能够记录温度、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。它可以持续工作数月之久,为金星大气模型提供关键的输入参数。“想象一下,如果有人试图在外面只待个127分钟就开始吹嘘自己了解地球上的天气。”Hunter说。但这是我们手头上所能掌握的金星天气数据的现况。

Roscosmos的科学家们迫切希望使用这项新技术。在与NASA合作的联合提案中,他们正在筹划一项名为“Venera-Dolgozhivuschaya”的任务(第一个词是“金星”的意思,后面这个词意味着“持久”),或简称为“金星-D”。这个任务包括一整套组件:一个轨道飞行器、一个着陆器和一个长期工作站。着陆器将搭载许多先进的仪器,但只能持续工作几个小时;长期工作站的设计会比较简单,但能持续进行长达数月的测量。该站很可能会使用NASA的LLISSE。

这还是基础架构,实际任务可能包括更多的组件。今年,金星-D团队发布了一份报告,其中涵盖了许多备选的新增内容,包括可以探索多云天气的气象气球。这开启了搜索金星生命的可能性。到目前为止提出的所有其他任务都旨在评估金星过去是否适合居住。但气象气球也许能够在金星今天唯一的宜居环境——天空——中寻找生命。

“想象一下,在铄石流金的地表和折胶堕指的外太空之间,有一个条件正好适合生命生存的宜居带。”Dyar说。该处不仅具有怡人的温度,而且还可以从太阳那儿获得营养、液态水和能量。如果金星上存在过生命,那么在其表面环境变得恶劣之后,这些生命可能被带到云层而幸存下来。

Ocampo认为,即使没有气象气球,金星-D任务的三个主要组成部分也将提供出色的科学成果。“这将是了解金星科学的一项突破性任务,”她说,“我们以前没有类似的任务。”

不幸的是,金星-D项目还没有被选中,许多科学家已经表达了一些担忧,因为这项任务早已被大家讨论过,但到目前为止资金依然没有到位。莫斯科太空研究所(Space Research Institute)金星-D项目的首席科学家Ludmila Zasova希望今年情况能有所改观。

筹划中的大项目可不止这一个。一些美国团队计划向NASA的“新疆界计划”(New Frontiers programme)提交一些金星探索项目,该计划的资助上限为10亿美元;还有“旗舰任务计划”(Flagship mission programme),该计划的资助标准更高。由于金星相关提案在过去的竞标中表现良好(通常只稍稍落后于入选提案),这些科学家门认为这次他们很有机会“中榜”。

随着每个航天局都开始关注我们的邻居,金星很可能在未来几十年内接待一大批的“来客”。虽然他们都打算以某种方式解决环境适应性的问题,但Garvin确信无论他们发现什么,都将“超越我们最疯狂的想象”。也许他们会证明金星以前是一个海洋世界,也许会发现今天的金星依然拥有活跃的构造活动。“咱们走着瞧吧,”他说,“金星正等着向我们倾诉,我可不想坐失良机。”