探索天王星：美国天文学“十年计划”公布最新旗舰任务

当地时间4月19日，美国国家科学院、工程院和医学院发布2023年至2032年美国行星科学和天体生物学“十年计划”，建议NASA展开对天王星及其卫星的研究，并将其列为“最高优先级的新旗舰任务”(the highest-priority new Flagship mission)。

2023年至2032年美国行星科学和天体生物学“十年计划”，图片来自美国国家科学院、工程院和医学院

在前述计划中，美国行星科学家小组提出天王星应该成为美国国家航空航天局(NASA)探索的重点。NASA将借助“十年计划”向国会进行说明并寻求资助，如果该提议得以实现，NASA将在21世纪30年代初向天王星发射价值42亿美元的轨道飞行器和大气探测器，试图了解这颗冰巨星的形成和组成。此前，仅有NASA发射的旅行者2号探测器(Voyager 2)于1986年飞掠过天王星。

天王星与“邻居”海王星的大小介于岩石行星（如地球）和气态巨行星（如木星、土星）之间，“这代表了一种我们知之甚少的独特行星类型，”苏黎世大学行星科学家Ravit Helled说道，他是参与前述计划报告的130位科学家之一。

太阳系中巨型天体的艺术呈现图，图片来自美国国家航空航天局(NASA)喷气推进实验室

天王星是第一颗通过望远镜发现的行星，由天文学家William Herschel于1781年发现，当时他认为这可能是一颗彗星或恒星。两年后，基于天文学家Johann Elert Bode的观察，天王星才被普遍认为是一颗行星。Herschel曾试图用乔治三世国王名字来命名天王星，但并未成功。科学界更为接受Bode的建议，将其命名为天王星(Uranus)，即古希腊的天空之神。

此后，天王星被认为是太阳系八大行星之一。它作为太阳系由内向外的第七颗行星，其直径在太阳系中排行第三，半径为15759.2英里(约25362公里)，比地球宽4倍。天王星与太阳的平均距离约为18亿英里(约29亿公里)，即19.8个天文单位，一个天文单位(AU)指太阳到地球的平均距离。这意味着太阳光线从太阳到天王星需要2小时40分钟。

用凯克望远镜自适应光学系统获得的天王星两个半球红外复合图像，图片来自凯克天文台

由于与太阳距离较远，天王星作为一颗冰巨星，非常寒冷多风，被13个微弱的光环和27颗已知卫星围绕。它以接近90度的角度旋转，是太阳系中唯一一个赤道与轨道几乎成直角的行星。这种独特的倾斜角度，让天王星看起来像是一颗滚动的球绕着太阳旋转，同时也导致了天王星上的极端季节。在每一个天王星年（约84个地球年）近四分之一时间里，太阳会直接照射在天王星两极，天王星整个半球因此会进入长达21个地球年的黑暗冬季。

据NASA介绍，天王星约在45亿年前形成，当时引力将旋转的气体和尘埃吸引进来，形成了这颗冰巨星。和海王星一样，天王星可能是在离太阳更近的地方形成的，并在大约40亿年前才被移动到更远的地方。这颗行星的大部分(80%及以上)质量是由“冰”，即水、甲烷和氨构成。它具有一个小岩石核心，核心附近的温度高达9000华氏度(4982摄氏度)。天王星的大气层主要由氢和氦，还有少量的甲烷、水和氨组成。正是甲烷赋予了天王星标志性蓝色，甲烷会吸收太阳光的红色部分，从而呈现出蓝绿色。

旅行者2号于1986年1月14日从大约780万英里（约1270万公里）距离拍摄的天王星图像，图片来自美国国家航空航天局(NASA)喷气推进实验室

科学家研究发现，天王星的环境并不适宜生命。这颗行星的温度、压力和成分特征很可能过于极端与不稳定，生物体因此难以适应。此外，天王星有一个不寻常的、形状不规则的磁层。磁场通常与行星的自转方向一致，天王星的磁场却是倾斜的。

综合前述特征，天王星的内部低能量、活跃的大气动力学和复杂的磁场都是目前需要探索的重要谜题。科学家曾推测，可能是太阳系形成期间的一次巨大撞击导致了这座行星极端的轴向倾斜。而在旅行者2号飞掠天王星获得的有限数据中，天王星的大型冰岩卫星显示了出人意料的地质活动证据，预示着其卫星可能存在海洋。同时，旅行者2号在1986年飞过天王星时看到了一些离散的云。最近的观测显示，天王星在接近春分时会表现出动态云，包括光亮快速变化的特征。

1986年1月24日旅行者2号飞掠天王星时拍摄的“月牙形”天王星图像，图片来自NASA喷气推进实验室、美国地质调查局

对此，“十年计划”提出将天王星轨道飞行器和探测器(UOP)作为最高优先级的新旗舰任务，并最好于2023年至2032年启动。UOP任务将提供一个大气探测器，对天王星系统进行多年的轨道旅行，以加深人们对冰巨星的认识。其科学探索目标将涉及天王星的起源、内部与大气构成、磁气圈、卫星和光环。该任务可在现有的运载火箭上发射，最佳发射时机在2031年和2032年，并可利用木星引力辅助缩短发射时间。

作为该计划报告的联合主席，美国西南研究院的行星科学家Robin Canup表示，偏向研究天王星而不是海王星的决定可以归结为“天体机会主义”。如果在2031年或2032年由猎鹰重型火箭发射任务，轨道器可以得到木星引力协助，13年后到达天王星，如果选择海王星，则需要更长时间。“这项任务(UOP)在技术上已经做好了准备，”Canup说道，“我们提议立即开始。”但能否实现这一目标，取决于NASA能否制定出受到疫情和任务成本飙升影响的合理预算。

对天王星的进一步研究还可能拓展人们对系外行星的认识。科学家认为，围绕着天王星的两组光环、密集排列的卫星和一些奇怪的物体，可能是来自海王星之外被称为柯伊伯带区域的彗星或物体。