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| 太空探索永无止境——美国提出宇宙探索5大优先发展方向 | ||||||||||
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| 出生在1957年前的人，关于太阳系的认识还非常模糊，他们不知道火星上有比珠穆朗玛峰还高得多的火山，有比美国大峡谷还深的峡谷。人们猜测，金星云层下可能隐藏着潮湿的热带丛林、无边无际的沙漠、沸腾的海洋或者巨大的沥青湖，但真正的金星其实是一座火山场，到处是火山喷发出的熔岩。那时，人们对土星两条模糊光环的描述也很不恰当，而今天，我们已经能看到土星光环数十万条的细环。当然，人们对土星卫星的认识更是非常模糊。 那时，人们认为行星只不过是天空中的一些小发光点，而地球要比它们大得多。从来没有人能从太空中看到，地球像是镶嵌在巨大黑色天鹅绒上的蓝色大理石，表面覆盖着水和空气。人们不知道，月球是诞生于一次天体间的碰撞，而恐龙也许正是灭绝于这样的碰撞；更没有人会想到，人类今天竟能够如此改变地球环境。 不可否认的是，太空的探索丰富了我们对自然界的认识，为我们展现了一幅崭新的太空画卷。 面对浩瀚的宇宙，人类认识的脚步正在一步一步向前迈进。今天，许多国家已经向太空发射了几十个研究探测器，太空探索正如火如荼。美国国家研究委员会的专家们对世界各国行星探测计划的进展作出评估后，提出了未来宇宙探索的5个优先发展方向。近期出版的俄罗斯《世界科学》杂志对此作了介绍。 自第一颗人造卫星发射以来，人类对太空的探索和研究走过了艰难曲折的道路。比如，在上世纪80年代，行星探测工作几乎停止。而今天，从水星到冥王星在内的整个太阳系有几十个不同国家的探测器在运转。然而，行星探测研究项目的预算削减、成本超支等原因使美国宇航局的工作也笼罩在阴影中。目前，美国宇航局正处于自35年前尼克松停止阿波罗登月计划以来最糟糕的时期。 美国西北太平洋国家实验室研究员、美国国家研究委员会成员安东尼·杰尼特斯说，美国宇航局的科学家们仍在继续寻找太空中最具潜力的研究方向，但究竟将宇宙探测、载人航天、科学研究、太阳系和银河系探索、建造航天飞机和空间站、研究地球特性中的哪些领域作为自己的主要发展方向，至今还没有统一的看法。 但总的来说，美国宇航局对宇宙探索计划的调整应该带来一个好的结果，不仅仅需要恢复发射探测器的计划，还应该发展载人航天技术。2004年，美国总统布什宣布了重返月球、登陆火星的计划。尽管这一计划大受争议，却得到了美国宇航局的欢迎。然而，美国宇航局研究与分析部主任比尔·克莱伯抱怨说，“美国宇航局没有足够的资金来完成所有的计划，其他国家的行星探测计划也同样存在资金匮乏的问题。” 地球大气监测 行动计划 ◆在未来10年内为美国宇航局研制的17颗新卫星提供约5亿美元的经费 ◆建立一个主管地球大气监测的管理机构 全球气候正在以惊人的速度变暖，百年不遇的)灾、水灾等自然灾害侵蚀着我们的生命与财产，这意味着与人类切身利益密切相关的地球正在发生着一系列变化。人类应该密切关注地球的发展状况。 然而，美国宇航局与美国国家海洋和大气管理局对地球的研究不尽人意。早在2005年，美国国家研究委员会就发出警告，如果不对监测大气环境的卫星系统进行补充和完善，就可能存在着卫星系统发生故障的巨大风险，这将对大气环境预报带来极大问题。尽管如此，美国宇航局在过去的5年内仍从地球研究计划的经费中抽走了6亿美元，用于国际空间站和航天飞机的研制。 与此同时，美国国家极轨运行环境卫星系统的建造也因严重超出预算而不得不缩小规模，一些监测全球气温变暖、测量投射到地球上的太阳辐射和从地球表面反射来的红外线的设备建造被迫取消，由此导致20多个地球观测卫星系统在新的卫星替换之前丧失了应有的功能。科学家和工程师希望，过一段时间，这些卫星还能恢复到工作状态。美国宇航局戈达德航天飞行中心气候和辐射部门主管罗伯特·卡哈兰说：“我们可以坚持，但一个新的卫星计划才能解决根本问题，不能等到卫星系统完全失灵了才开始行动。” 如果现有卫星系统在新的替换之前失去功能，就会产生监测数据的断层和不连续问题，也就难以发现地球气候的变化趋势。比如，如果新一代卫星系统发现太阳比先前变得更亮了，那么人们就会怀疑这个数据的真实性，是不是设备出现了问题。从1972年就开始对地球表面进行观测的美国陆地系列卫星已经中断运行多年，美国农业部不得不购买印度的卫星观测数据来监控农业生产，而一些特定的数据，则是其他国家不能提供的。 美国国家研究委员会希望在今后10年内，恢复资金支持来发射17颗用于监测地球上的冰川和二氧化碳的新卫星，以研究冰川和温室气体对大气的影响，加强对气候的预测。美国宇航局戈达德太空研究中心气候学家德鲁·辛戴尔说，但遗憾的是，对地球气候的研究主要由两个部门来完成，美国国家海洋和大气管理局只是观测天气，而美国宇航局只从事科学研究，主要的问题是谁也没有真正从事对地球气候的监测。他建议，政府应该把现有的分散于各部门之间的气候研究与监测项目归口到一个部门，由这个部门专门负责完成。 防止小行星撞击地球 行动计划 ◆使用专门的太空红外望远镜拓宽对小行星的搜索范围，包括更小的天体 ◆尝试可控制小行星移动方向的实验 ◆建立评估小行星可能撞击地球潜在危险的官方系统 我们生活的地球面临着遭受小行星撞击的危险，这样的撞击将给人类带来毁灭性的灾难。观测可能发生的小行星运动，并有效地阻止它们撞击地球，成为当今太空探索的一项重要任务。 与地球大气监测项目一样，防止小行星撞击地球的研究也陷于困境之中。无论是美国还是欧洲空间局，都没有建立防止小行星撞击的系统计划，目前仅有的是美国宇航局“关于太空防御的巡天计划”，这是一项在近地轨道寻找直径大于1公里的小天体的项目，每年耗资400万美元。这样大小的天体与地球相撞，足以造成全球性灾难。然而，对那些能给地球造成局部破坏的小天体，至今还没有进行过系统搜寻，而这类小天体的数量在我们地球周围不少于2万个。但目前还没有一个专门的机构对这样的风险进行评估，并在危险时刻提供预警。当防御技术成熟时，要建立一个有效的防御系统至少需要15年的时间，而美国宇航局目前还没有这样技术，也没有一个完整的计划。 2007年3月，在美国国会的要求下，美国宇航局发布的一项报告称，搜寻直径从100米到1000米范围内小行星的任务将由大口径全景巡天望远镜(LSST)来完成。这样的望远镜可以在未来10年内发现80%的小行星，如果再增加1亿美元的经费，望远镜的寻找效率将达到90%。 但望远镜LSST也有缺陷，第一，它有盲区：因为太阳光线的干扰发现，运动在地球轨道前面或后面一点的危险物体，只有在早晨或者黄昏时能被望远镜观测到。第二，望远镜只能根据小行星的亮度间接地确定它们的质量，这种方法确定的小行星质量有很大误差，一颗质量大但暗弱的小行星会被误认为是一颗质量小而明亮的小行星，这样的误差对我们预防小行星撞击地球很危险。 为解决上述问题，美国宇航局计划建造一架耗资5亿美元的红外天文望远镜，并将其发射到太阳轨道上。这种望远镜可以捕捉到对地球有任何潜在威胁的小天体，还能在不同波段下对小天体进行观测，对这些天体质量判断的误差不超过20%。 当观测到一颗小行星处于撞击地球的轨道上时，我们该怎么办？为了让小行星运动方向偏转至少1个地球半径，避免与地球直接相撞，我们必须提前10年使用核爆或引力牵引等各种办法改变小行星运动的速度，改变的幅度不小于1毫米/秒。 2004年，美国宇航局近地天体专家委员会曾建议进行一次试验。这个耗资4亿美元、被称为“堂吉诃德”的小行星防御计划，建议用400公斤的弹头轰击一颗小行星，碰撞后抛射出的碎片将会改变小行星的运动轨迹。但谁也不知道这种碰撞的力度会有多大。该试验的主要目的就是测量这个碰撞的强度。科学家们应该选择一个在远距离轨道上运动的小天体进行实验，以免碰撞偶然地将它推入和地球相撞的轨道。2007年春季，欧洲空间局完成了一系列可行性研究，但由于资金短缺暂时中断了。研究人员希望获得美国宇航局或日本宇宙事业集团的支持，将这一计划付诸实施。 探寻新的生命 行动计划◆采集火星土壤样本◆探测木卫二和土卫六 探寻宇宙中各种各样的生命形式，不仅是为了寻找我们在宇宙中的同伴，更是为了认识地球上生命的起源，了解人类自己。 在第一颗人造卫星发射之前，科学家们认为太阳系也许是一个真正的“天堂”。但事实却令人失望，地球以外的其他行星是真正的“地狱”，环境极其恶劣。火星探测发现，火星表面像月球那样坑坑洼洼地遍布火山坑，“海盗”号探测器在火星上也没有发现任何有机分子。但后来研究发现，火星上可能存在着适合生命的地方，火星上存在生命似乎又有了希望。 在太阳系行星的卫星中，尤其是在木卫二和土卫二上可能拥有巨大的地下海洋和大量形成生命的原始物质，金星曾经也可能被海洋覆盖。在火星上，美国宇航局目前的任务不是寻找有机物本身，而是探寻以前或者现在是否存在水的痕迹。 2007年8月发射的“凤凰”号火星探测器，将于今年着陆在火星上从未被探测过的北极地区。“凤凰”号不是火星车，而是一架带有机械臂的固定式着陆器。它的机械臂可以将火星土壤挖掘几厘来采集冰质沉积物。美国宇航局正计划建造一个火星科学实验室用于火星探测，这个耗资15亿美元的实验室如一辆汽车大小，计划于2009年底发射，1年后将着陆火星。 然而，科学家们将会逐渐转向直接寻找火星上的生命或者它们的残骸。2013年，欧洲空间局计划发射ExoMars火星车，它的构造类似于“海盗”号探测器，有生物实验室和钻探平台。钻探平台可以深入地下2米采集样本，在这样的深度获得的样本里，有机物可能没有被破坏。 绝大多数宇宙专家认为，最主要的研究方向是将火星上的岩石和土壤带回地面实验室分析，就像“阿波罗”月球探测器从月球采集岩石和土壤一样，分析少量的火星样本，可以揭示火星漫长的发展历史。然而，美国宇航局的预算危机使得耗资几十亿美元的火星取样计划至少推迟到2024年，不过情况似乎出现了转机，美国宇航局开始考虑修改MSL计划，使采集到的火星样本能够完整保存下来。 对于木星，科学家们希望发射一个环绕木卫二的轨道飞行器，以测量它的形状和木星的引力潮汐如何影响卫星的引力场。如果木卫二上存在海洋，它的表面就会周期性地升降30米；如果没有，升降的幅度就只有1米。轨道飞行器上的磁强计和雷达可以用来探测地层，也可以用来探测海洋，照相设备可以绘制木卫二的表面。这些设备都为将来着陆木卫二探测做准备。 对于土卫六的探测，应该延用目前“卡西尼”号探测器的工作模式，即轨道飞行器和表面着陆器一同使用。土卫六与地球类似的大气环境容许利用热气球的方式进行探测。热气球可以随时沉入土卫六大气的表面采集样本。美国亚利桑那大学的乔纳森·卢宁认为，探测土卫六的目的是分析其表面有机物，检验自组织系统的变化，这是大多数科学家公认的地球上最原始的生命形成方式。 2007年1月，美国宇航局着手研究这些计划，2008年将在木卫二和土卫六计划之间作出选择，一个价值20亿美元的探测器将可能在今后10年内被发射到它们其中的一颗上，而对另外一个星体的研究将不得不推后10年。 也许最终会发现，地球上的生命是独一无二的，其他星球并没有生命存在，但这并不意味着我们所有的努力都白费了。美国科罗拉多大学天体生物学中心主任布鲁斯·贾科斯基认为：“天体生物学并不仅仅只是为了寻找外星生命体，它具有更深远的意义。” 天体生物学就是研究形形色色的生命形式和其产生的先决条件，探索40亿年前地球上的生命是怎样形成的。这些研究并不是单纯地寻找我们宇宙中的伙伴，而是更深入地认识人类自身的起源。 探索行星的起源 行动计划◆采集彗核、月球和金星样本 行星是如何形成的，至今仍无定论。对彗核、月球和金星的采样分析，有助于探索行星的起源，进而帮助我们探寻新的生命。 与生命的起源一样，行星的起源也是一个非常复杂的过程。 木星在太阳系中第一个形成，然后影响着其他天体的形成。它是怎样形成的？是在单一引力场中形成的，还是像一颗小星星那样产生的？ 木星上含有异常的重元素含量是否意味着，它在距离太阳较远处形成，然后慢慢接近太阳？是否在这一过程中与某个小星体发生碰撞？美国宇航局计划于2011年发射的“朱诺”木星探测器将能找到解答上述问题的答案。 分析2006年“星尘”探测器从彗星上采集到的尘埃样本，也许能够帮助我们认识行星的形成。 “星尘”计划负责人、美国华盛顿大学唐纳德·布朗利教授认为，“星尘”计划的结果表明，彗星从太阳系早期形成阶段中获得了大量星云物质，这些物质沉积在冰层中，一直保存到至今。“星尘”探测器还采集到了许多来自太阳系内的物质，甚至来自碎裂的冥王星天体的物质，只是样本的量很小。研究人员希望获得来自彗星核的样本。 月球将是宇宙考古学的研究平台。月球是用于了解早期太阳系撞击历史的“罗塞塔石碑”。罗塞塔石碑是1799年拿破仑大军远征埃及时发现的，人们根据石碑上的铭文，破译了古埃及象形文字的秘密，揭开了古埃及的文明与历史。因此，认识了月球，人们就将更了解我们生存的宇宙。 科学家利用月面上的环形山数量可以推算出月面的相对年龄，利用“阿波罗”计划和苏联“月球”计划采回的月岩样品可以计算出月面的绝对年龄，相对月面年龄和绝对年龄有着一定的关联。但20世纪60年代的月球探测器只到过几个地方，目前还没有探测器到达过月球背面的“艾肯”盆地，这座巨大环形山的年龄也许可以帮助我们了解月球最终形成的时间。美国宇航局正计划发射机器人到那里采集样本，并带回地球，这项计划预计耗资5亿美元。 太阳系的另一个奇妙之处在于，小行星主带中的小行星可能早于火星形成，而火星又早于地球产生，似乎行星的形成是在内部完成的，由木星引发。金星的形成是否也适合这一规律？金星上的酸云、高压和高温环境不适合着陆器探测。2004年，美国国家研究委员会曾建议发射一个气球探测器到金星。气球探测器可以短暂停留在金星表面来采集样本，然后上升到一定的高度对样本进行分析，或者把将样本送回地球。上世纪80年代中期，苏联向金星发射了探测器，现在，俄罗斯航天局计划向金星发射新的探测器。 研究行星的起源，在一定程度上与研究生命的起源一样。金星位于生命带的内边缘，火星位于生命带的外边缘，而地球位于中间地带。了解这些行星之间的差异，对推进探索太阳系外生命有重要意义。 冲出太阳系 行动计划◆着手研发和试验星际探测器技术 太空探索不应该仅局限在太阳系内，还有更广阔的星际空间需要我们去探索研究，研发星际探测器技术是我们冲出太阳系的必经之路。 两年前，具有传奇色彩的“旅行者”号空间探测器项目度过了一次严重的资金危机。美国宇航局曾表示出关闭“旅行者”号的意愿，但社会的强烈抗议使得该项目继续进行。“旅行者”1号是迄今为止发射距离最远的宇宙探测器：目前它距离地球103个天文单位，而且每年还会增加3.6个天文单位。在2002年或2004年，“旅行者”1号进入了太阳系的神秘多层边界，太阳风粒子和星际气体流在这里发生相互作用。 “旅行者”号探测器是用来研究外太阳系行星，而不是用来研究星际空间的。它的钚电池能源也即将用完。很久以来，美国宇航局一直想建造一个专门的星际空间探测器。2004年美国国家研究委员会的一份关于太阳物理的报告也建议美国宇航局着手该方向的工作。 星际探测器的任务应该包括测量星际粒子中氨基酸的含量，以便确定有多少复杂有机物从外边进入到太阳系，探寻来自微型黑洞或暗物质的反物质粒子，确定太阳系边界层如何反射物质，包括影响地球气候的宇宙射线，探测我们周围的星际空间是否存在磁场，因为磁场在恒星形成过程中起到了非常主要的作用。 可以将这个星际探测器用做一架小型的太空望远镜，在不受太阳系尘埃的干扰下用于宇宙学研究。星际探测器或许还可以帮助研究“先驱者”号探测器发现的异常现象———作用在相距遥远的“先驱者”10号和“先驱者”11号上的一种无法解释的力的存在；对爱因斯坦相对论进行验证，因为，该理论认为，太阳的引力将遥远恒星的光线汇聚在一点；利用星际探测器对近距离内的一个恒星进行详细研究，例如波江星。 想用一生的时间到达距离我们几百个天文单位的地方，需要以每年15个天文单位的速度飞行。为了达到这样的目的，需要使用大型和中型或者小型探测器中的一种，相应的动力系统应该是核反应驱动的离子发动机或者太阳帆驱动。 2005年，美国密歇根大学的托马斯·祖布琴领导的一个研究小组研制出一种3.6吨重的大型星际探测器，美国约翰·霍普金斯大学应用物理实验室的拉尔夫·麦克纳特领导的研究小组提出了一个1吨重的中型星际探测器。但最适合的应该是小型探测器。ESA正在研究由德国基尔大学的罗伯特·维默尔·施韦因格鲁伯领导的国际科学家小组提出的一个方案。美国宇航局有可能参与该项目的研制。 在上述的这个小型探测器方案中，一个200米宽的太阳帆抢赐贫桓鲋?00公斤的探测器。从地面发射后，该星际探测器飞向太阳，经过水星轨道靠近太阳，以便更好地利用强大的太阳流。太阳帆就像一个在水上行驶的帆板，可通过对帆板的倾斜来掌控方向。在穿越木星轨道之前，探测器应该放弃太阳帆，自由飞行。为此，研究人员需要设计一个非常轻巧的太阳帆，并进行一些简单的试验。 施韦因格鲁伯认为，不管该项目由欧洲空间局或者美国宇航局负责，该计划将是宇宙探测发展的必经之路，该计划在近30年里大约需要20亿美元的资金。研究其他行星能够帮助我们确切了解地球在太阳系中的地位，星际环境研究同样也会帮助我们认识整个太阳系的状况。 文章出处：科技日报 |
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