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。

文章作者:管理一号 | 2019-08-24
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 从前水灵灵的伊甸园,现现在地狱般的金星或许可以提醒如安在悠远的恒星周围寻找宜居的家园。

直升机像石头相同下坠。它在马里兰州上空急降逾越1500米,在灵敏靠近地上的进程中发作少许扭曲变形。虽然这个进程完全是按方案进行的,但依然令James Garvin心惊胆战。当他忽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供应的金星效果图。

随后,在距离地上只要6米的当地发作了更加张狂的作业,翱翔员将直升机灵敏拉高并直冲云霄,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都会通过打开的舱门摄影地上,企图测量地上一处采石场的地形,摄影对象从巨石到沙地一应俱全。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翱翔中心(Goddard Space Flight Center, NASA)的首席科学家,他正在领导一项金星探求任务,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月聘请了两名翱翔员进行直升机陡降操作,检验金星勘探器或许会摄影到什么样的场景。这一段触目惊心的航程带来了报答:研讨人员希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并不仅有一个有如此雄心勃勃的科学家。现在,全球几乎全部航天局都在策划一个探求方案,政策是我们那长时间没有存在感的街坊——金星(参见下图“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,向金星发射一颗轨道翱翔器。美国或许紧随其后。Garvin及其伙伴是若干即将向NASA提交探求任务提案的团体之一,假设有幸被选中,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道翱翔器。其他,俄罗斯航天局(Roscosmos)正在与美国协作,方案在2026年至2033年间实行一项斗胆的金星探求任务,方案中包括一个轨道翱翔器,一个可以发回短期读数的着陆器和一个可以长时间作业的观测站。

 金星表面:NASA/JPL 

这股探金风潮与各国长时间以来忽视金星,重视火星、小行星和其他行星的实际构成了鲜明对比。例如,以前65年来,NASA已向火星发射了11个轨道翱翔器和8个登陆器,但仅向金星发射了2个轨道翱翔器,并且都是在1994年从前。这种困境并不是由于人们对金星缺乏科学上的喜好。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份金星探求提案,但是无一获批。

但是人们探求金星的热心正在逐渐高涨,部分原因是科学家们认为探求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,但是现在却是一个表面温度逾越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。假设研讨人员可以破解为什么金星的环境变得如此恶劣,就能帮忙他们点评已知的银河系中上千个岩石星球上是否或许存在生命。

跟着探求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讨金星,实验室也在验证新的技术,以应对金星表面的恶劣条件。在印度带头发射勘探器之后,或许很快就会有一系列勘探器向距离太阳第二近的行星——金星——进发。

“这或将打开探求金星的一个新时代。”巴黎天文台的行星科学家Thomas Widemann说道。

两层费事

人类在最初走向太空时,就初步了对金星的探求。我们的街坊金星是第一次成功的行星际勘探的政策(美国,1962年);也是勘探器任务失败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世界(前苏联,1970年)。正是在这场关于金星的太空比赛中,科学家发现了一个炽热而剧毒的世界(参见“历史上的金星任务”)。这就说明了为什么人们探求金星的喜好后来逐渐减退。科学家们很快意识到,这个星球不会是未来人类星际探求的家园,也不是寻找外星生命的出路。其他,即便在很短的时间内勘探金星也是难上加难的。


但是,在许多方面,比如规范、密度和化学成分上,金星是地球的翻版。最近的研讨甚至标明在以前三十亿年的时间里,金星和地球或许很类似,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,“假设是那样的话,就有足够的时间让生命初步演化。”

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。”

但是毫无疑问的是,金星发作了某种严峻的问题。虽然地球和金星起点类似,但是两者却沿着天壤之其他演化途径走下来—— 分歧或许出现在7.15亿年前。这似乎是一个不去探求金星的理由,但现在科学家们认为这种分歧使得金星更加幽默。假设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。

“金星将大大帮忙我们了解自己,了解生命是如安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。

天文学家现已在我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,它们到所属恒星的距离与金星和地球到太阳的距离类似。这意味着许多行星或许很类似金星的状况。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处理,也就难怪ISRO宣告要重返金星的音讯才会令我们如此激动。“我很快乐ISRO要这样做,”Dyar说, “我很快乐世界社会正在重视金星并提出探求方案。这真是太妙了。”

虽然ISRO的金星探求任务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),但是很明显该安排方案发射一台带着许多仪器的轨道翱翔器。当ISRO在上一年年底宣告探求金星的任务时,它发布了一份由印度科学家提出的十几种测量仪器的中选清单,让我们得以一窥毕竟。在那些传感器中,有两个将运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办法。

虽然如此,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,与其他年青安排提出的方案类似,印度的第一个金星探求任务或许只是一次概念验证,相比较于科学上的收成,他们更加重视工程学上的行进。但是鉴于我们现在连金星的基本信息都知之甚少,所以任何一点小的行进都将有助于整个科学的展开。

这次任务在科学上的一个重要贡献或许会是一张全新符号金星表面特征的地形图。此前旨在制造金星地形图的终究一项航天任务是由NASA于30年前发射的麦哲伦号轨道翱翔器(Magellan orbiter)实行的。虽然这些雷达地形图到今天依然是金星地质学的基础,但均匀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(图画分辨率可高出两个数量级)。由于地形数据有限,研讨人员对金星的地质只要一个迷糊的认识——但这些现有的地形图的确暗示了金星上的板块结构到今天或许依然活泼(参见“行星整形”)。

行星整形

这特别令人入神,由于许多科学家认为板块结构活动关于生命的构成十分重要。这些在地壳上像拼图相同犬牙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“躁动”的行星更有或许孕育出生命。

因此,科学家们火急希望能破解板块结构发作的条件。这便是为什么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爬升断层类似的当地。科学家们共同认为,爬升现象是板块结构的第一步,但是在金星上还没有发现明显的大范围板块移动痕迹——至少在几十年前麦哲伦号轨道翱翔器制造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,由于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或许可以提醒这种地质结构特征。Smrekar是筹备“真理”号(VERITAS)项意图负责人,她和她的团队很快将向NASA提出一个任务方案。这项地质物理任务将运用更高分辨率的雷达来制造金星的地形图,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。

虽然效果仍是未知,但科学家们有或许发现以前板块结构的依据。就像Smrekar说的,这就可以说明为什么金星在数十亿年的时间里坚持了类似地球的环境,由于这个天然恒温器可以操控大气中二氧化碳的浓度。这一现象也可以用于说明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许多热量,以至于海洋都蒸发了。

但那只是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,它包括另一个同样令人入神的隐秘。

计算机生成的金星马特火山(Maat Mons,纵向份额扩展),可以看到前景处的深色岩浆。

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,可以帮忙科学家了解金星火山活动的历史,并提醒金星是否一初步就像地球相同富含水分。“金星的大气是一个潜在的实验室,它会告知我们金星的历史,”Garvin说,“实践上,现在停止金星大气的大多数测量都十分地不全面。”此外,多亏了Garvin策划了吓人的直升机翱翔演习,这台勘探器方案在坠落金星的终究几秒钟摄影金星的地表图画。

“真理”号和“达芬奇”号都于7月1日参与NASA的竞标,实行未来的“发现任务”(Discovery missions),这项任务会资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求任务(包括一个气候气球)。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、卫星和行星的勘探器,观测太阳系外围的望远镜。

本年年底,NASA将选出一些任务进行进一步的研讨,并将在两年内挑选出终究的实行项目。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“发现比赛”中提出了类似的任务方案,并且两个都被选中进入下一轮的研讨。假设其间一个金星任务成功过审,将在2020年中期发射勘探器。

即便在那段时间之后,金星仍或许成为行星际活动的中心。欧洲航天局最近选择了一个名为“前景”号(EnVision)的金星勘探器以及其他两个入围方案来参与一个最早在2032年升空的任务。像“真理”号相同,“前景”号是一个轨道翱翔器,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米的分辨率制造整个金星。在这种精度下,科学家们甚至或许找到前苏联其时留在金星上的着陆器。

他们甚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,某些波长的光可以透过掩盖在金星表面的二氧化碳雾霾。假设带着分光仪的轨道翱翔器把测量波段调整到这些通明的“窗口”,就有或许从云层上方分析金星地表的成分。这一前景令人兴奋,特别是假设科学家可以发现花岗岩的话。

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要许多的水。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。因此,假设发现金星富含花岗岩,就阐明它或许从前有许多的液态水。

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类似的淡蓝色星球;同时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窄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可以真实区别花岗岩和玄武岩。因此柏林行星研讨所(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。他的实验标明,两个岩石光谱看起来完全不同,未来的任务的确可以运用这些光谱窗户。通过这些发现,他和他的伙伴们搭建了一台仪器,可以用来制造金星表面上的任何花岗岩。“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,一些科学家希望可以让一艘飞船登陆金星,这是人类35年以来未能完成的壮举。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灵敏倒在这颗星球的恶劣环境下:持续时间最长的一个也只坚持了127分钟。

科学家们希望能打破这一记载,并且他们现已规划出一种技术,不要说持续数分钟,就算几个月也不在话下。NASA格伦研讨中心(Glenn Research Center)的一个团队正在建造一个至少可以坚持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,这个着陆器直接采用由碳化硅(一般用于制造砂纸和假钻石的硅碳化合物)制成的简略电子设备,它们可以接受金星上地狱般的环境。“这关于金星探求而言,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检验,金星模仿室是一个14吨重的不锈钢罐,可以模仿金星表面的温度、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年代中期做好翱翔准备,并可以供应给其他国家运用。“任何去金星的任务都欢迎运用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,它既细巧又轻便,可以搭许多未来金星任务的便车。

虽然LLISSE体积小,但它可以记载温度、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。它可以持续作业数月之久,为金星大气模型供应要害的输入参数。“梦想一下,假设有人企图在外面只待个127分钟就初步揄扬自己了解地球上的气候。”Hunter说。但这是我们手头上所能把握的金星气候数据的现况。

Roscosmos的科学家们火急希望运用这项新技术。在与NASA协作的联合提案中,他们正在策划一项名为“Venera-Dolgozhivuschaya”的任务(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”。这个任务包括一整套组件:一个轨道翱翔器、一个着陆器和一个长时间作业站。着陆器将搭载许多先进的仪器,但只能持续作业几个小时;长时间作业站的规划会比较简略,但能持续进行长达数月的测量。该站很或许会运用NASA的LLISSE。

这仍是基础架构,实践任务或许包括更多的组件。本年,金星-D团队发布了一份报告,其间涵盖了许多备选的新增内容,包括可以探求多云气候的气候气球。这打开了查找金星生命的或许性。到现在停止提出的全部其他任务都旨在点评金星以前是否适宜寓居。但气候气球或许可以在金星今天仅有的宜居环境——天空——中寻找生命。

“梦想一下,在铄石流金的地表和折胶堕指的外太空之间,有一个条件正好适宜生命生存的宜居带。”Dyar说。该处不仅具有怡人的温度,并且还可以从太阳那儿获得养分、液态水和能量。假设金星上存在过生命,那么在其表面环境变得恶劣之后,这些生命或许被带到云层而幸存下来。

Ocampo认为,即便没有气候气球,金星-D任务的三个首要组成部分也将供应出色的科学效果。“这将是了解金星科学的一项突破性任务,”她说,“我们从前没有类似的任务。”

不幸的是,金星-D项目还没有被选中,许多科学家现已表达了一些忧虑,由于这项任务早已被我们讨论过,但到现在停止资金依然没有到位。莫斯科太空研讨所(Space Research Institute)金星-D项意图首席科学家Ludmila Zasova希望本年状况能有所改观。

策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)提交一些金星探求项目,该方案的资助上限为10亿美元;还有“旗舰任务方案”(Flagship mission programme),该方案的资助规范更高。由于金星相关提案在以前的竞标中体现出色(一般只稍稍落后于中选提案),这些科学家门认为这次他们很有机会“中榜”。

跟着每个航天局都初步重视我们的街坊,金星很或许在未来几十年内招待一大批的“来客”。虽然他们都方案以某种方式处理环境适应性的问题,但Garvin坚信不论他们发现什么,都将“逾越我们最张狂的梦想”。或许他们会证明金星从前是一个海洋世界,或许会发现今天的金星依然具有活泼的结构活动。“我们走着瞧吧,”他说,“金星正等着向我们倾诉,我可不想坐失机宜。”

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